Оптические устройства

Вид материала

Документы

Содержание Эффект гость-хозяин. 1, 6 – стеклянные подложки; 2, 5 Голографические устройства.

Подобный материал:

• Аннотация к курсу лекций «Оптические методы и устройства обработки информации», 35.54kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 11. 07 «Оптические, 62.47kb.
• Программа научно-практической конференции «Оптика -ХХI век: оптика, фотоника и оптоинформатика, 66.05kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 151.82kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 121.7kb.
• Рабочая программа по дисциплине: «оптические методы и устройства обработки информации», 90.76kb.
• «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» Общая трудоёмкость изучения дисциплины, 58.31kb.
• Оптические системы, свойства и методы контроля асферических поверхностей большого диаметра, 208.63kb.
• Конференция “оптические методы в современной физике”, 15.86kb.
• Программа курсов повышения квалификации по специальности «Волоконно-оптические системы, 31.04kb.

Твист-эффект заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в нематических жидких кристаллах с положительной диэлектрической анизотропией ( _а 0). Сущность его заключается в том, что при изготовлении ячейки два прозрачные электрода размещаются выделенными направлениями полировки под некоторым углом, например _.

В пространстве между такими электродами молекулы ЖК располагаются по спирали, и ориентация молекул нематика от слоя к слою меняется так, как в холестерической ЖК, причем оси молекул, находящихся около разных электродов, взаимно перпендикулярны. Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации, проходящего света на угол равный _ .

В ячейки оба электрода являются одновременно и поляроидами, оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с выделенными направлениями полировки, а следовательно, и с осями прилегающего слоя молекул нематика. В отсутствии электрического поля свет проходит через ячейку, поскольку на пути от электрода к электроду испытывает поворот плоскости поляризации. При приложении к электродам достаточного напряжения спираль разрушается, все молекулы ориентируются вдоль поля(ξ_а>0), разворот плоскости поляризации не происходит и свет сквозь ячейку не проходит.

Твист-эффект относится к числу чисто полевых. При его использовании не требуется наличие электрического тока. Он проявляется при малыхнапряжениях (0.9÷1.5В).Длительность переходного процесса включения-выключения 30 – 200 мс.

Эффект гость-хозяин.В состав жидкокристаллического вещества (хозяин) вводят молекулы красителя(гость). Краситель избирательно поглощает свет в зависимости от ориентации его молекул относительно падающего светового потока. Его молекулы также имеют вытянутую форму. Молекулы ЖК ориентируют и переориентируют молекулы красителя в электрическом поле при подаче напряжения на электроды. В результате меняется степень поглощения, что хорошо обнаруживается в поляризованном свете. При этом требуется только один поляроид. Для холестерической структуры с малым шагом хорошие результаты получаются и без поляроида. Длительность переходных процессов установления стабильной окраски 30 – 500 мс, управляющее напряжение – 2–10в. В зависимости от используемого красителя ячейки могут иметь различную окраску во включенном и выключенном состояниях.

Различную окраску ячейки с ЖК часто получают с помощью эффекта избирательного отражения света холестерическими жидкими кристаллами. В таких кристаллах при отражении света от тех плоскостей, молекулы в которых ориентированы одинаковым образом, возникает интерференция, в результате которой усиливается отраженный свет с длиной волны, равной шагу спирали холестерика. Изменяя напряжение на электродах, меняем шаг спирали холестерика, следовательно, можно непрерывно менять цвет кристалла. Для создания оптических управляемых транспарантов используют ячейку со структурой МДП – ЖКобладающие весьма высокими характеристиками.

Структура ячейки имеет вид;





1, 6 – стеклянные подложки;

2, 5 – прозрачные электроды;

3 – фотопроводящий слой полупроводника;

4 – диэлектрическое зеркало;

7 – жидкий кристалл.


При подаче на электроды 2 и 5 напряжения и неравномерном освещении(сверху) слоя полупроводника 3 возникает потенциальный рельеф электрического поля в слое ЖК, так как на освещенных участках проводимость полупроводника увеличивается, и заряды с электрода 2 устремляются к диэлектрическому заряду 4 , напряженность поля в этих местах слоя ЖК увеличивается. Такое пространственное перераспределение напряженности поля приводит к формированию соответствующего рельефа оптических свойствслоя ЖК, который может быть считан проходящим через этот слой (снизу) световым потоком.

Голографические устройства.

Голографическая память основывается на записи интерференционной картины образованной в результате сложения световой волны, отраженной от объекта или прошедшей через него (объектной волны), и когерентной волны, идущей непосредственно от источника света (опорной волны).Если зафиксированную картину (голограмму) затем осветить тем же опорным источником, расположенном относительно нее точно такжекак и при записи, то в результате взаимодействия опорной волны с голограммой в пространстве образуется волна, восстанавливающая изображение объекта. Для этого световые потоки обязательно должны быть когерентными (две волны называются когерентными, если разность их фаз является постоянной или они имеют одинаковую частоту). Голограмма в отличие от фотографического снимка, фиксирует не только распределение амплитуд, но и распределение фаз объектной волны относительно опорной. Информация о соотношении фаз объектной и опорной волн отражается рисунком и частотой картины, а об амплитуде - ее контрастом. При помощи голограммы, таким образом, восстанавливается амплитудно-фазовое распределение волнового поля, т.е. создается копия объектной волны, а не только светоконтрастная характеристика объекта, как при обычном фотографировании. Этим объясняется чрезвычайно высокая информационная емкость голографического способа записи информации.

Часто голограммы регистрируют на фотопластинках. Рассмотрим наиболее простой для понимания случай записи и восстановления плоскойсветовой волны. Пусть на фотопластинку ФП под углом Өпадает плоская объектная волна S₁:


_,где

А – амплитуда;

ω – круговая частота;

φ₁ – фаза;

t – время.


Колебание S₁ вызовет равномерное почернение фотопластинки, плотность которого пропорциональна интенсивности колебания, т.е. квадрату амплитуды А² .Направим на фотопластинку опорную плоскую волну S₂ той же частоты с амплитудой В и фазойS₂:



Так как колебания S₁ и S₂ когерентны, то складываясь и интерферируя, они образуют результирующее колебание S с амплитудойС, которая создает в плоскости фотопластинки сложный волновой узор. Плотность почернения фото слоя в каждой точке в этом случае будет пропорциональна интенсивности результирующего колебания I≈C². Определим эту интенсивность. Очевидно что:


S = S₁+S₂=Acos (ωt – φ₁) + Bcos (ωt –φ₂) =

=Acosωtcosφ₁ + Asinωtsinφ₁ + Bcosωtcosφ₂ + Bsinωtsinφ₂ =

= (A sin φ₁ + B sin φ₂) sin ωt + (A cosφ₁ + B cos φ₂) cosωt.


Суммы в скобках представляют собой гармонические колебания, которые можно представить следующими соотношениями:

A sin φ₁ + B sin φ₂ = C sin Ө

A cos φ₁ + B cos φ₂ = C cos Ө (*)


Тогда уравнение результирующего колебания примет вид:

S = C∙cos (ωt – Ө)


Обе части соотношений (*) возведет в квадрат и сложим их почленно:


A² sin² φ₁ + 2AB sin φ₁ sin φ₂ + B² sin ²φ₂ =C²sin² Ө

+

A² cоs² φ₁ + 2AB cos φ₁cos φ₂+ B² cos²φ₂ =C²cos² Ө


A² + 2 AB (sin φ₁ sin₂+ cos φ₁cos φ₂) + B² = C²


Следовательно, интенсивность будет равна:

I ≈C² = A² + 2ABcos (φ₁ – φ₂) + B² =A² + 2ABcosᴪ+B²

где ᴪ=φ₁ – φ₂ – разность фаз складывающихся колебаний.


Из полученного выражения видно, что интенсивность Ι результирующего колебания максимальна при ᴪ=2_n и минимальна при ᴪ=(2n + 1) _ где n=0,1,2,… . Экспонируя и проявляя фотопластинку, мы фиксируем картину объектного и опорного колебаний, т.е.получаем голограмму.

Интенсивность в максимумах интерференционной картины равна:

Imax ≈(A+B)²

а в минимумах:

Imin ≈(A – B)²

Так что если амплитуда опорной волны В известна, то из соотношения



легко определить амплитуду объектной волныА. В максимумах интерференционной картины cos (l₁-l₂)=1,поэтому l₁-l₂=2Пn и если известна фаза опорной волны l*, то можно определить фазу l₁ объектной волны. Это доказывает то, что голограмма содержит всю информацию об амплитуде и фазе объектной волны.

В выражении для интенсивности два члена А² и В² описывают колебания, обуславливающие равномерное почернение всей фотопластинки, а третий член 2АВcosᴪ описывает колебание, обуславливающее почернение, которое изменяется по косинусоидальному закону (см. рис.). Таким образом, зафиксированная на фотопластинке голограмма представляет собой решетку с косинусоидальным распределением пропускания. Полосы в этой решетке ориентированы перпендикулярно плоскости рисунка.

Для восстановления изображения направим на голограмму по пути опорного колебания S₂ пучок света с плоским волновым фронтом L:





Вследствие дифракции восстанавливающей волны на записанной интерференционной картине за голограммой возникает световое поле, образуемое тремя колебаниями:

1) ослабленной восстанавливающей волной(дифракционный максимум нулевого порядка);

2) плоской волной, распространяющейся под углом Ө к горизонтальной оси Z (дифракционный максимум плюс первого порядка);

3) плоской волной, распространяющейся под углом – Ө к оси Z (максимум минус первого порядка).

Дифракционные максимумы более высоких порядков не возникают вследствие того, что пропускание голограммы изменяется по гармоническому закону.

Второе колебание (дифракционный максимум плюс первого порядка)является точной копией объектной волны, дает действительное изображения объекта.А третье колебание (дифракционный максимум минус первого порядка) дает мнимое изображение, полностью подобное объекту.

Применяемые для записи голограмм фотопластинки обычно содержат специальные серебряно-галоидные фотоэмульсии позволяющие записывать до 5000 линий/мм. Широко используются и другие материалы, например, фототермопластинки, фотохромные, магнитооптические и др. Важнейшее требование, предъявляемое к ним – высокая разрешающая способность.

Голограмма обеспечивает очень высокую плотность записи информации, что связано с малой длиной волны света λ. Лазерный луч обычно имеет гауссовское (нормальное) распределение энергии, в результате диаметрсфокусированного пятна равен:



где f – фокусное расстояние фокусирующей линзы;

D – диаметр гауссова пучка в плоскости линзы (если линза освещена полностью, тоD – диаметр линзы)

Число 1,27 относится к случаю, когда нет дифрагирования лучей.

Линзы с F=_1 (микрообъективы) позволяют получать диаметр пятна в фокальной точке к длине волны излучения. Следовательно, для волн видимого диапазона принципиальный предел плотности записи достигает величины _, что дает при λ=0,63 мкм плотность 10⁸ бит/см².

Плотность записи информации может быть увеличена за счет многократного наложения голограмм. На одной пластине (друг от друга)можно записать большое число голограмм при использовании различно направленных опорных пучков. Ясно, что для считывания той или инойинформации надо лишь обеспечить соответствующую ориентацию голограммы относительно считывающего пучка.

Возможна также объемная многослойная запись. При трехмерном способе записи голограмма представляет собой не плоскую картину интерференционных полос, а объемную структуру, повторяющую пространственную картину интерференцииобъектной и опорной волн. Привосстановлении изображения объемная голограмма действует подобнотрехмерной дифракционной решетке. Отражение света от интерферекционныхслоев (брэгговское) происходит только при выполнения условия, аналогичного условию Брэгга-Вульфа:

_,

гдеd – расстояние между соседними слоями;

Ө – угол между падающим светом и плоскостью слоёв.

Таким образом,трехмерная голограмма обладает спектральной избирательностью (селективностью), т.е. для восстановления изображения можно применять источники со сплошным спектром, например лампу накаливания, солнце. При этом голограмма ''выберет '' излучение той длины волны, которая использовалась при записи. Двумерные голограммы не обладают спектральной селективностью и восстанавливаемое изображение окажется размытым. Свойство трехмерных голограмм воспроизводить спектральный состав записывающего излучения позволяет значительно увеличить информационную емкость за счет записи в одной и той же области регистрирующей среди множества изображений, используя каждый раз излучение с разной длиной волны. Нужное изображение может быть считано независимо, для чего его нужно восстанавливать излучением соответствующей длины волны. Причем, при считывании трехмерная голограмма дает только одно изображение, тогда как двухмерная голограмма дает еще и мнимое изображение, что несколько усложняет считывание информации.

Объемная голографическая запись использует весь объем носителя, а не тонкий слой поверхности (как в случае обычной оптической или магнитной памяти). При этом объемная плотность записи информации может превышать величину бит/см³скорость ввода информации с голограмм – несколько Гбит/сек.

Другим важным преимуществом голограмм являются их избыточность. Поскольку при записи свет от каждой точки объекта падает на всю поверхность голограммы, каждый малый ее участок способен восстановить изображение объекта, хотя и с меньшим соотношением сигнал/шум и с потерей разрешения мелких деталей. Это делает голограмму нечувствительной к микродефектам: пятна,пылинки,царапины и т.п. Количественную характеристику, отражающую способность голограмм трансформировать волну в восстановленное изображение, называют дифракционной эффективностью и определяют как отношение мощности светового потока в восстановленном изображении к мощности светового потока в восстанавливающей волне.

Голографический принцип позволяет полностью реализовать преимущества, связанные с возможностью параллельного доступа. Информация организуется в блоки (страницы) емкостью по 10⁴ – 10⁶ бит каждый, и таким образом можно сразу осуществлять параллельную передачу целого блока , а следовательно , получить высокую скорость передачи данных. Например, при фактической скорости выборки 10⁶ страниц/сек. и емкости 10⁵ бит информации на страницу скорость передачи данных составит 10¹¹ бит/сек.

Еще одна особенность – возможность записи информации непосредственно в аналоговой форме, что отличает голографические ЗУ от всех других видов запоминающих устройств с хранением символов двоичного кода. Причем имеется возможность деформации изображения. Пусть при записи использовался луч с длиной волныλ и объект находится на расстоянииα от голограмм. Если при считывании использовать свет сдлиной волны λ', то изображение будет формироваться на расстоянии α' от голограмм, равном:



При использовании с другой длиной волны возникают продольные искажения изображения: при λ' <λоно ''вытянуто'' в направлении от голограммы к наблюдателю, а при λ' >λ – ''сжато''. Если при считывании использовать расходующуюся сферическую волну, то получим увеличенное изображение объекта. При использовании сходящейся сферической волны можно получить уменьшенное изображение объекта,однако качество восстанавливаемого изображения при этом ухудшается из-за аберраций.

В ряде случаев голограмма объекта может быть получена расчетным путем, с помощью ЭВМ. Такие искусственно синтезированные голограммы называются цифровыми.Одно из достоинств синтезированных голограмм, которые в сущности объясняет необходимость их создания вообще, состоит в том, что позволяют имитировать волны оптических объектов физически не существующих.

Быстродействия ЭВМ бывает недостаточно для расчета голограммы, полностью идентичной обычной, получаемой голографированием. В связи с этим, часто рассчитывают более простые голограммы, не содержащие информацию о полутонах объекта, и записывают их на носителях, которые физически могут приобретать только два различных состояния. Такие голограммы называют бинарнымиили двоичными.Двоичные голограммы весьма целесообразны при записи больших массивов данных, кроме того они позволяют получать более яркое воспроизведение объекта. Важно и то, что воспроизведение с двоичных голограмм отличается не только большой чувствительностью, но и меньше подвержено мешающему влиянию шума от рассеяния света, вызываемого неоднородностью носителя записи или его поверхности.

Голограмма совершенно неразборчива, на просвет кажется почти прозрачной, с нее можно получить контактный отпечаток-копию.


Управляемые источники света.


Источник, световой поток или яркость, которого является однозначной функцией электрического сигнала, поступающего на его вход, называют управляемым источником света.

Общими требованиями к управляемым источникам света оптоэлектронных цепей являются:

– стабильность и линейность характеристики преобразования;

– миниатюрность;

– малая потребляемая мощность;

– большой срок службы;

– высокая надёжность;

– высокая эффективность;

– большое быстродействие;

– возможность выполнения в интегральных микросхемах;

– возможность смещения спектральных характеристик в любую заданную часть рабочей области спектра;

– механическая прочность;

– технологичность.

В основе работы управляемых излучателей света лежит одно из следующих физических явлений: температурное свечение, излучение при газовой разрядке, электролюминесценция, индуцированное излучение.

В некоторых случаях управляемый источник света может быть получен соединением двух оптических приборов, неуправляемого источника света с постоянным световым потоком и модулятора света, т.е. устройства, пропускная способность которого зависит от электрического сигнала, поданного на него.

Существующие излучатели только частично удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним. Это существенно тормозит развитие оптоэлектроники.


Тепловые источники света.


Это источники электромагнитного излучения, испускаемого нагретым телом за счёт повышения его внутренней энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры тела. С её повышением возрастает общая энергия теплового излучения, а максимум перемещается в область меньших длин волн. Мощность излучения, испускаемого нагретым телом, равна:


_,

где Ϭ = 5,67 ∙ 10^-8_ – постоянная Стефана-Больцмана,

ξ – излучательная способность тела. У реальных тел ξ< 1, а у так называемых абсолютно чёрного тела ξ = 1.

S – площадь излучающей поверхности;

T – температуратела.


В качестве тепловых источников света широко используются лампы накаливания, они удобны в эксплуатации и дёшевы. Имеют широкий спектр излучения, который в основном лежит в инфракрасной области (0,4 – 4 мкм). Однако они сравнительно инерционны, не могут работать на частотах выше 20 Гц, временная стабильность параметров низкая, плохо сочетаются с транзисторами и интегральными схемами. В лампах накаливания достигаются высокие уровни освещённости, например, миниатюрная лампочка НСМ-9 при токе порядка 25 мА на расстоянии 1мм создаёт освещённость порядка 10³лк, что вполне достаточно для нормальной работы практически всех фотоприёмников.

Наряду с обычными лампами накаливания применяются специальные лампы, у которых тело накала выполнено в виде плоской ленты и имеется окно из специального (увиолевого) стекла прозрачного в ультрафиолетовой области спектра, или из сапфира, прозрачного в ближней инфракрасной области спектра. Для увеличения светоотдачи и срока службы колбы некоторых ламп накаливания заполняют парами галогенов (пары йода или различных соединений бора). Такие галогенные лампы накаливания могут работать длительное время при более высоких температурах нити накала.


Газоразрядные источники излучения.


В газоразрядных источниках используется явление свечения, наблюдаемое при протекании электрического тока через ионизированный газ. Источник излучения состоит из двух электродов, находящихся в среде инертного газа (обычно неон Ne или ксенонXe) либо их смесей. Если к электродам приложить малое напряжение U<Uзаж. – напряжение зажигания, то в промежутке между электродами будет протекать малый ток, обусловленный наличием в газе небольшого числа ионов, возникших вследствие воздействия теплоты, падающего света и космического излучения, а также вызванный эмиссией (излучением) электронов из электрода, находящегося под отрицательным потенциалом (катода), это так называемый темновой разряд, при котором нет видимого свечения газа.

Вольт-амперная характеристика газоразрядного промежутка имеет вид:




С повышением напряжения электроны, эмитируемые катодом, приобретают большие скорости и начинают ионизировать газ. В результате появляются дополнительные электроны и ионы, но до точкиА их недостаточно для возникновения самостоятельного разряда. За точкой А начинается самостоятельный разряд. Напряжение в точкеА называется напряжением зажигания. На участке АС происходит уменьшение напряжения при увеличении тока. За точкой С начинается тлеющий разряд (область СЕ). В нём представляют интерес области 2 нормального и 3 аномального разрядов. В области 2 увеличение тока приводит к увеличению площади катода, занятого разрядом. При этом плотность тока и падение напряжения между электродами Uгор. остаются постоянными. Когда весь катод оказывается “занятым” разрядом, то при дальнейшем увеличении тока наблюдается повышение падения напряжения и тлеющий разряд становится аномальным.

Физические процессы, происходящие в области за точкойА, можно упрощённо представить следующим образом. Электроны, испускаемые катодом под воздействием света, внешних излучений и бомбардировки катода ионами, приобретают в электрическом поле такую скорость, что начинается лавинная ионизация газа. Положительно заряженные ионы под действием электрического поля движутся к катоду и, бомбардируя его, вызывают появление дополнительных электронов, необходимых для поддержания самостоятельного разряда. Часть ионизированных и тем самым возбуждённых атомов газа переходит в нормальное невозбуждённое состояние путём “присоединения” электрона к положительно заряженному иону. При этом излучается квант света. Другая часть положительно заряженных ионов накапливается вблизи катода, образуя положительный пространственный заряд.

Основная часть напряжения, приложенного к электродам, падает на этом небольшом при катодном участке. Пространственные заряды положительно заряженных ионов и электронов, находящихся в газоразрядном промежутке, в значительной степени уравновешивают друг друга. Поэтому в газонаполненном приборе удаётся получить большие токи при сравнительно небольшом напряжении, приложенным к электродам.

Яркость свечения тлеющего разряда при прочих равных условиях пропорциональна току, причём излучает не весь газоразрядный промежуток, а только узкие области вблизи катода и анода. В источниках излучения обычно используют аномальную зону тлеющего разряда, в которой свечение наблюдается по всей площади катода.

Таким образом, для возникновения самостоятельного разряда в газовом промежутке к электродам нужно приложить напряжение U≥U_заж. и уменьшить это напряжение до нужного значения (U_гор.) после его появления. Это обычно выполняют с помощью балластного резистора R включаемого последовательно с излучателем света:


Напряжение U>U_заж.При возникновении тлеющего разряда ток в цепи увеличивается и соответственно повышается падение напряжения на резисторе R. В итоге падение напряжения на излучателе света становится равным напряжению U_гор. Обычно напряжение U_заж.≈ 50 ÷ 250В и зависит от конструкции излучателя, типа газа и давления внутри излучателя.

Для прекращения газового разряда на электроды подают напряжение меньшее U_гор. В этом случае самостоятельный разряд прекращается и происходит деионизация газового промежутка.

Время деионизации – доли мксек.


Электролюминесцентные источники света.


В настоящее время считаются наиболее перспективными.

Люминесценция – это световое излучение, превышающее тепловое излучение при той же температуре и имеющие длительность, значительно превышающую периоды излучений в оптическом диапазоне спектра (более сек).

Для возникновения люминесценции в каком-либо теле, в том числе и полупроводнике, необходимо привести его с помощью внешних источников энергии в возбуждённое состояние, т.е. в состояние, при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Если источником внешней энергии является свет, то наблюдается фотолюминесценция. При возбуждении тела быстрыми электронами (или другими частицами) возникает катодолюминесценция. При воздействии электрического поля или тока появляется электролюминесценция.

Люминесценция характеризуется достаточно длительным свечением после того, как действие возбуждающего фактора прекратилось. Это обусловлено тем, что акты поглощения квантов возбуждающей энергии отделены по времени от актов излучения. В итоге излучение при люминесценции является некогерентным и имеет достаточно широкий спектр. Дело в том, что если сильно выполняется неравенство:

_,

где:

Т – кинетическая энергия бомбардирующего электрона (m – его масса, V – его скорость);

E_в и E_н – полная энергия атома соответственно в ближайшем возбуждённом состоянии и нормальном состоянии,


то атом может возвращаться в нормальное состояние не сразу, а в несколько этапов через всё менее возбуждённые состояния при этом испускать не один квант света (фотон) частоты ν

hν=E_в – E_н,

а несколько фотонов различных частот, причём суммарная их энергия будет равна энергии начального возбуждения.

В элементах оптоэлектроники часто используют электролюминесцентные конденсаторы, структура которых имеет вид:





1, 3 – прозрачные электроды, выполненные из оксидов различных металлов SnO₂, In₂O₃,GdOи др.

4 – подложка (стекло, слюда, кварц)

2 – слой люминофора


В качестве электролюминофоров используют соединения элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов (соединения типа А^ΙΙΙВ^V ) с примесями из элементов шестой и четвёртой групп. В первую очередь (фосфоры) это соединения цинка и кадмия с серой и селеном: ZnS, ZnSe, ZnSSe,GaAs – GaP,GaAs – AlAs и др. используют электролюминифор двух типов:

– порошковый (мелкодисперсный порошок фосфора взвешенный в диэлектрике);

– плёночный, тонкая однородная поликристаллическая плёнка, полученная испарением в вакууме (сублимат фосфора).

В первом случае из-за наличия диэлектрика электролюминесцентный конденсатор может работать только на переменном напряжении. Предполагается, что при скачкообразном воздействии напряжения в микрокристаллах за счёт ударной ионизации полем создаются свободные носители заряда. Одна часть из них успевает рекомбинировать, вызвав при этом излучение, другая (в основном электроны) уносится полем к концу кристалла. В результате при неизменном приложенном напряжении ионизированные центры излучательной рекомбинации и свободные электроны оказываются разнесёнными в пространстве и излучение отсутствует. Если напряжение выключить, то свободные электроны возвратятся к ионизированным центрам, произойдёт рекомбинация и вновь появится излучение. Так как размеры зёрен не позволяют получить толщину слоя 2 меньше 40 ÷ 100 мкм, то необходимо достаточно высокое рабочее напряжение: 50 ÷ 300в.

В случае сублимата фосфора возможна работа на постоянном токе. Из-за малой толщины плёнок рабочие напряжения лежат в пределах 2 ÷ 2,5в. В зависимости от типа фосфора и примесей свечение лежит в видимой области спектра в диапазоне от 450нм (голубое свечение) до 600нм (жёлто-оранжевое свечение).

Электролюминесцентным конденсаторам присуще явление старения, при постоянном напряжении возбуждения яркость свечения со временем уменьшается вдвое у порошковых фосфоров за 10⁴ час., а у сублимата фосфора за 500 час. Кроме того у этих конденсаторов довольно значительна инерционность, время разгорания и затухания составляет 10^-4сек.


Светодиоды.


Если приложить к p – n переходу прямое напряжение, через него начинают двигаться основные носители – электроны из n – области и дырки из p – области.







Попав в область перехода (заштрихована), эти носители становятся не основными и рекомбинируют с основными носителями. Процесс рекомбинации означает переход электронов с более высоких энергетических уровней зоны проводимости на более низкие энергетические уровни валентной зоны. Такие переходы сопровождаются выделением квантов света, т.е. фотонов.

Это явление, называемое излучательной рекомбинацией, лежит в основе работы светодиода. Энергия выделяющихся фотонов почти равна ширине запрещённой зоны ΔW, т.е.




подставляя в это выражение значение постояннойПланка


h = 6,63∙ Дж ∙ с


и скорость света_


а также помня, что один электрон-вольт равен 1,6_Дж, определит ширину запрещённой зоны ΔW в электрон-вольтах, необходимую для получения излучения с длиной волны λ в микрометрах:



Из этого выражения следует, что для получения видимого излучения с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь ΔW>1,7 эВ.

Германий и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как у них ширина запрещённой зоны слишком мала. Светодиоды изготавливаются главным образом из фосфида галлия GaP и карбида кремния SiC, а также из некоторых тройных соединений – галлия, алюминия, мышьяка и фосфора GaAlAs или галлия, мышьяка и фосфора GaAsP.

Перспективен для изготовления светодиодов нитрид галлия GaN, который имеет большую ширину запрещённой зоны (ΔW=3,4 эВ), и поэтому энергия квантов света, возникающих в этом материале при рекомбинации носителей заряда, может перекрывать всю видимую область спектра. В настоящее время светодиоды различных типов позволяют перекрыть диапазон длин волн излучения от 366 до 950 нм и более.

Светодиоды относятся к классу инжекционных приборов. Ширина слоя, прилегающего к p – n переходу, в котором происходит рекомбинация определяется диффузионными длинами L_n и L_p. Процесс рекомбинации в большинстве полупроводников осуществляется через примесные центры (ловушки), расположенные вблизи середины запрещённой зоны и является безызлучательным.

Однако в названных выше материалах, а также GaAs, GaSb (сурьма), InAs, InSb и др. переход из зоны проводимости в валентную зону относится к числу переходов типа зона-зона. При этом примесные центры не играют существенной роли, и при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное свечение люминесценции.

Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p – n переходом. При этом для получения приемлемых значений необходимо обеспечить значительную плотность тока, протекающего через переход (не менее 0,3 А/мм²). При обычно используемых размерах это приводит к необходимости пропускать через переход ток порядка 5-100 мА, что требует значительных затрат электрической мощности на питание инжекционного диода. При малых токах инжекции (1 – 2 мА) пропорциональность между током и светом нарушается, т.к. начинают сказываться конкурирующие безызлучательные рекомбинационные процессы.

Так как полупроводник покидает только часть фотонов, остальные же сначала отражаются от поверхности, а затем поглощаются в объёме полупроводника, то вводят понятие квантовой эффективности излучения. Внешней квантовой эффективностью излучения или квантовым выходом называется отношение числа излучённых во внешнее пространство фотонов к числу неосновных зарядов, инжектированных через p-n переход. Обычно значение квантового выхода составляет до 30%.

Внесение в полупроводник различных примесей позволяет получать свечение различного цвета.

Существуют светодиоды, которые в зависимости от их включения или режима работы излучают в различных областях спектра. Для управления цветом свечения используют два механизма:

а) зависимость интенсивности отдельных частот излучения от тока p – n перехода;

б) смешение излучений двух светодиодов, имеющих свечение разного цвета.

В первом случае изменение цвета происходит из-за того, что в составе излучения p-n перехода имеется несколько световых полос, яркость которых неодинаково изменяется при изменениях протекающего тока. При их смешивании получается результирующее излучение, цвет которого зависит от значений яркости отдельных полос.

Во втором случае, который получил преимущественное распространение, используются двух переходные структуры GaP:

На кристалле фосфида галлия созданы два p – n перехода. Примеси подобраны так, что один p – n переход излучает свет красного, а другой – зелёного цвета. При их смешивании получается жёлтый цвет. В структуре имеются три вывода (1,2,3) что позволяет через каждый p – n переход пропускать своё значение тока. Изменяя токи переходов, удаётся менять цвет излучения от жёлто-зелёного до красно-жёлтого оттенка, а также получать чистые красный и зелёный цвета.

Существенным достоинством светодиодов является их быстродействие, что позволяет реализовать импульсный режим работы и получить короткие световые импульсы длительностью не более 10 нс с частотой повторения более Гц.

Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными диодами и полупроводниковыми лазерами. Они работают в режиме оптического усиления, т.е. стимулированного излучения, который характеризуется тем, что внешний квантовый выход существенно больше, чем у обычного светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока, около 30 А/мм². Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.


Лазеры.


В качестве управляемых источников света часто применяют инжекционные лазеры. Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является когерентным. Лазеры имеют относительно высокий КПД и большое быстродействие.

При когерентном излучении все частицы излучают согласованно (вынужденное стимулированное излучение) и синфазно с колебаниями, установившимися в резонатор.

Для обычных светодиодов характерны спонтанное излучение, складывающееся из волн, посылаемых различными частицами независимо друг от друга, и хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны.

Механизм стимулированного излучения состоит в следующем. Частица, находящаяся в возбужденном состоянии взаимодействуя с фотоном переходит в состояние с меньшей энергией и при этом излучается дополнительный фотон. Фотон, вынуждающий (стимулирующий) переход, и фотон, испускаемый в результате перехода, неотличимы друг от друга. Они имеют одинаковую частоту, направление распространения и фазу. Для того чтобы такой механизм работал необходима высокая концентрация частиц с большими энергиями. Состояние квантовой системы, при котором “населённость” верхнего энергетического уровня выше “населённости” нижнего энергетического уровня, называется состоянием с инверсной населённостью. Среда, в которой может быть полученосостояние с инверсной населённостью является активной средой лазера.

Перевод квантовой системы в инверсное состояние осуществляется подведением энергии, которую принято называть энергией накачки. Инициатором процесса вынужденного излучения может быть внешний сигнал или один из квантов спонтанного излучения в самой активной среде. Для существенного усиления излучения среду помещают в систему двух зеркал – оптический резонатор. Одно из зеркал резонатора частично прозрачное, что необходимо для вывода излучения. В резонаторе излучение, распространяясь почти строго в направлении его оси, многократно отражается от зеркал и проходит среду, что вызывает значительное усиление излучения.

Таким образом, для получения вынужденного (лазерного) излучения необходимо иметь:

а) активную среду лазера, в которой в процессе накачки может быть создано инверсное состояние;

б) систему накачки, обеспечивающую достижение инверсной населённости;

в) оптический резонатор, предназначенный для усиления и формирования направленного излучения.

Однако неверно представлять свет в лазере как поток частиц – фотонов, мечущихся между зеркалами резонатора. Гораздо точнее будет представление о существовании в объёме рабочего тела макроскопического квантового объекта – макроскопической волновой функции фотона. После начала работы лазера между зеркалами в объёме рабочего тела образуется стоячая волна – стационарное распределение максимума электрического и магнитного полей световой волны. В этих максимумах произойдёт изменение коэффициента преломления среды и сформируется объёмная периодическая структура неоднородностей среды, которая способна выполнять функции зеркал резонатора (вообще-то любая неоднородность среды всегда порождает отражённую волну, а в данном случае отражённые волны оказываются синфазными, они не “гасят” друг друга). Энергия поля и коэффициент нелинейности среды определяют порог геометрических размеров, когда генерация способна поддерживаться за счёт обратной связи, образуемой только динамическими неоднородностями среды. В этом случае зеркала можно убрать, а лазер будет работать. Это лазер с распределённым резонатором или с распределённой обратной связью.

Энергия лазерного излучения сосредоточена в узком спектральном интервале, который достигает в предельном случае 10^-5нм (в газовых лазерах). Расходимость излучения у некоторых лазеров не превышает 20¹¹. По виду активного вещества лазеры делят натвёрдотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. Накачка в лазерах может осуществляться оптическим излучением, электрическим током, электронным пучком, за счёт химических реакций и другими способами.

В полупроводниковых лазерах стимулированное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора. Поэтому объём зоны, где происходит излучательная рекомбинация, в полупроводниковых лазерах ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер.

Обычно поперечное сечение зоны 0,5÷2 мкм², а её протяжённость 300÷500 мкм, и эту активную область выполняют из материала с другим показателем преломления чем у окружающей среды. В итоге получается световод, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями (полупрозрачными зеркалами, получающимися при сколе кристалла). Он выполняет роль резонатора.

При токе инжекции меньшем порогового значения Iпор= 50 ÷ 150 mА наблюдается спонтанное излучение как и в обычном светодиоде, выходная оптическая мощность которого не велика, около 5 мкВт/mА. Если величина тока превысит Iпор возникает стимулированное излучение и резкое увеличение выходной оптической мощности до 200 мкВт/mА. Благодаря тому, что фотоны, появившиеся в процессе рекомбинаций, многократно проходят через световод, отражаясь от зеркальных граней, прежде чем им удаётся выйти за пределы кристалла через полупрозрачное зеркало, наблюдается монохроматичность и когерентность излучения.

В полупроводниковых лазерах из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение светового луча имеет эллипсоидную форму и угол расходимости светового пучка велик, 20÷50°. Полупроводниковые лазеры широко применяются при создании световодных линий связи большой протяжённости.


Приемники излучения.


Задача приемника заключается в преобразовании оптического излучения в другие виды излучения, удобные для регистрации с помощью различных электронных систем. По виду энергии, в которую преобразуется оптическое излучение, приемники делятся на фотоэлектрические, тепловые, люминесцентные и фотохимические.

К фотоэлектрическим относятся приемники, в которых энергия оптического излучения преобразуется в энергию свободных электронов. Последние могут покинуть вещество (внешний фотоэффект) или остаться в веществе (внутренний фотоэффект).

Внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия заключается в испускании электронов с поверхности твердого тела под действием энергии оптического излучения. Известно, что энергия фотона равна:



то есть он обладает импульсом