7. Внешний фотоэффект – эффект эмиссии электронов из облучаемого ве-ва под действием опт излучения.

Фотоэлектрические явления возникают при поглощении веществом электромагнитного излучения оптического диапазона. К этим явлениям относится и внешний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Явление внешнего фотоэффекта открыто в 1887 г. Герцем, а детально исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений создана Эйнштейном. Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков. Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект, возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные батареи).

Вакуумный фотоэлемент – два электрода (анод и катод) помещённые в баллон с прозрачным окном в котором поддерживается вакуум.

Устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.

 

 

 

 

Устройство вакуумного фотоэлемента показано на рисунке. В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, помещены два электрода: катод К и анод А. Катод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на  внутреннюю поверхность баллона. Анод изготовлен в виде кольца, расположенного в центре баллона. Выводы от катода  и анода сделаны через ножку на нижний цоколь. На рисунке показана простейшая схема включения фотоэлемента. При освещении фотоэлемента в анодной цепи возникает ток, создающий на сопротивленииRH падение напряжения. При изменении светового потока изменяется величина тока и, следовательно, выходное напряжение Uвых.

Принцип действия фотоэлемента основан на использовании явления внешнего фотоэффекта. Под действием светового по­тока из фотокатода вылетают электроны. Они попадают в уско­ряющее электрическое поле анода и, достигая анода, создают во внешней цепи ток Iф, пропорциональный интенсивности све­тового потока. При изменении светового потока изменяется ток во внешней цепи, а следовательно, и падение напряжения на ре­зисторе нагрузки R_K. Таким образом, с помощью фотоэлемента световой поток осуществляет управление выходным напряже­нием.

Ток в фотоэлементе незначительный. Увеличение тока в фо­тоэлементах достигается двумя способами:

1) использованием вторичной электронной эмиссии. Такие приборы называются фотоэлектронными умножителями;

2) наполнением баллона фотоэлемента инертным газом. Та­ кие приборы называются ионными фотоэлементами.

Основным параметром фотоэлементов является чувствитель­ность. Различают чувствительность интегральную и спект­ральную.

Интегральной чувствительностью фотоэлемента называется чувствительность его к суммарному (неразложенному) световому по­току стандартного источ­ника. Интегральная чув­ствительность показывает величину анодного тока, вызываемого световым

Спектральной чувст­вительностью фотоэлемента называется чувствительность его к монохроматическому излуче­нию определенной длины волны л. Спектральная чувствительность показывает величину тока, проте­кающего в цепи фотоэлемента, при облучении заданной длины волны К световым потоком в 1 лм и измеряется в микроамперах на люмен.

Основными характеристиками электровакуумных фотоэле­ментов являются: спектральная, световая и вольтамперная.

Спектральной характеристикой называется зависимость спек­тральной чувствительности от длины волны падающего на катод света. Форма спектральной характеристики зависит от типа ка­тода, материала подложки и окна. Спектральные характерис­тики для некоторых фотокатодов приведены на рис. 96. На этом рисунке видно, что сурьмяно-цезиевый катод обладает наи­большей чувствительностью к голубому и зеленому свету, а кис­лородно-цезиевый— к красному свету.

Световой характеристикой называется зависимость тока фо­тоэлемента I_Ф от величины, светового потока Ф при постоянном анодном напряжении Ua = const.Световые характеристики ваку­умных фотоэлементов линейны, газонаполненных — нелинейны (вследствие неравномерности ионизации газа). Световые харак­теристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом приведены на рис. 97.

Вольтамперной характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока /ф от анодного напряжения при постоян­ном световом потоке Ф. Внешний вид вольтамперных характе­ристик показан на рис. 98. Характеристики вакуумных фотоэле­ментов по форме похожи на анодные характеристики пентода. Они имеют явно выраженный горизонтальный участок, соответ­ствующий току насыщения при напряжении насыщения. Харак­теристики газонаполненных фотоэлементов не имеют области насыщения, так как с повышением напряжения фототок увели­чивается вследствие возникновения газового разряда.

Частотной или инерционной характеристикой фотоэлемента называется зависимость переменной составляющей фототока от частоты изменения светового потока. Частотная характеристика вакуумных фотоэлементов линейна (рис.99) в широком диапа­зоне частот. Некоторый спад частотной характеристики на вы­соких частотах появляется вследствие влияния междуэлектрод­ной емкости.

Газонаполненные ФЭ – заполнены инертным газом (аргоном).

Для повышения чувствительности иногда наполняют колбу фотоэлемента каким-либо газом, не вступающим в реакцию с веществом фотокатода. В таких газонаполненных фотоэлементах выбитые из катода электроны при своем движении к аноду ионизируют атомы г аза. Образующиеся в газе ионы и электроны движутся к электродам фотоэлемента, заметно увеличивая исходный фототок. Чувствительность таких устройств велика (она достигает 500 мкА/лм), но их вольт-амперная характеристика имеет более сложный вид, чем обычная зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов, и часто не соблюдается пропорциональность силы фототока и светового потока. Другим недостатком газонаполненных фотоэлементов является их инерционность, приводящая к искажению фронта регистрируемого сигнала и ограничивающая возможность измерения модулированных и быстроизменяющихся световых потоков. При частоте модуляции  в несколько килогерц обычно уже невозможно использование газонаполненных фотоэлементов. [c.437] Газонаполненные фотоэлементы — это фотоэлементы, в которых баллон наполнен газом. При этом сила тока возрастает, потому что вырванные из катода электроны, летящие с большой скоростью к аноду, встречают на своем пути атомы газа, ионизируют их, а образовавшиеся электроны и ионы, двигаясь к электродам фотоэлемента, увеличивают начальный ток. Для наполнения фотоэлементов используют инертные газы, не вступающие в реакцию с веществом фотокатода. Давление газа должно быть достаточно малым, чтобы электроны на длине свободного пробега могли приобрести энергию, необходимую для ионизации.

Газонаполненный фотоэлемент - фотоэлектронный прибор, основанный на внешнем фотоэффекте и представляющий собой стеклянный баллон, наполненный инертным газом ( обычно аргоном), в который помещены два электрода - анод и катод. Наполнение инертным газом вызывает несамостоятельный разряд и повышает чувствительность фотоэлемента.

Характеристики идентично вакуумным ФЭ.

8. Фотоэлектронный умножитель – работа основана на методе вторичной электронной эмиссии.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) -  это фотоэлектрический приемник излучения, преобразующий световой сигнал в электрический. Он состоит из откаченного небольшого баллончика со стеклянным или кварцевым окошком, через которое свет падает на фотокатод ФК. В баллон впаяны электроды,  между которыми приложено напряжение. Фотоэлектроны, эммитируемые  при освещении фотокатода, ускоряются электрическим полем и попадают на первый  электрод (динод Д1), вызывая эмиссию вторичных электронов. Большинство вторичных электронов после ускорения попадают на следующий динод, где процесс повторяется, и т.д. Вторичные электроны с последнего из динодов собираются на аноде А. В результате, сила тока на  выходе ФЭУ будет пропорциональна интенсивности падающего на фотокатод  излучения. Общий коэффициент усиления такой системы, имеющей 10-15 динодов, достигает , что позволяет измерять очень малые световые потоки.

Счет фотонов.

При измерении малых световых потоков, когда на  фотокатод ФЭУ в единицу времени попадают отдельные фотоны, оказывается выгоднее измерять не силу тока в анодной цепи ФЭУ, а считать отдельные импульсы тока, образующиеся на выходе ФЭУ в результате попадания фотонов на фотокатод.  Считая число импульсов (фотонов),  можно определить световой поток и интенсивность падающего на фотокатод  излучения. Этот метод измерения световых потоков называется счетом фотонов.

Фотоэлектронный умножитель:  световая анодная чувствительность; спектральная чувствительность; темновой ток.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой, электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под действием оптического излучения, усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии

Фотоумножитель обладает низкими шумами и высоким внутренним сопротивлением по току. Он является самым чувствительным фотоприемником из созданных человеком. При оптимальных режимах работы он может регистрировать отдельные фотоны и световые мощности на уровне 10-19 Вт. На рис.1 показана схема ФЭУ с боковым оптическим входом. Он состоит из фотокатода ФК и нескольких электродов, называемых динодами. На них через штыревые выводы с помощью делителя подается внешнее напряжение таким образом, что по мере удаления от катода потенциал каждого последующего динода увеличивается примерно на 100 В. Последний электрод А – анод предназначен для сбора электронов.

К основным параметрам ФЭУ относится световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов); спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы; темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока). Такие характеристики фотоэлектронного умножителя как спектральная чувствительность, квантовая эффективность, чувствительность, темновой ток, определяются структурой фотокатода. 

9. Светодиоды – п/п прибор с p-n-переходом, который генерирует оптическое излучение при протекании через него тока в прямом направлении.

Светодиод: сила света, постоянное прямое напряжение, быстродействие, обратное напряжение.

При приложении к диоду электрического поля электроны и дырки в материалах p- и n-типа устремляются к p-n-переходу. Когда носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны инжектируются в материал р-типа. При подаче отрицательного напряжения со стороны материала n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал р-типа. Это называется прямым смещением.

Когда избыточные электроны переходят из материала n-типа в материал р-типа и рекомбинируют с дырками, происходит выделение энергии в виде фотонов, элементарных частиц (квантов) электромагнитного излучения. Все диоды испускают фотоны, но не все диоды испускают видимый свет.

Материал, из которого изготавливается светодиод, выбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов находилась в пределах видимой области спектра излучения. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам испускаемого света.

Светодиодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры Процесс самопроизвольной рекомбинаци инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой области, так и в самом p-n переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на более низкий; при этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света.

Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (Е_g > 1,8 эВ). Исходя из этого ограничения, для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и галлий—мышьяк—алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (E_g > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.

Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения светодиода. Например, на основе фосфида галлия, легированного определенным количеством цинка, кислорода или азота, получают светодиоды зеленого, желтого и красного цветов свечения. Тройные соединения GaAsP и GaAsAl используют, в основном, для получения светодиодов красного цвета свечения.

Обычно излучение светодиодов является монохроматическим с оговоренной для каждого типа максимальной длиной волны, имеющий незначительный разброс внутри каждого типа. Светодиоды с управляемым цветом свечения изготавливаются на основе двух светоизлучающих переходов, один из которых имеет резко выраженный максимум спектральной характеристики в красной полосе, другой — в зеленой. При совместной работе цвет результирующего излучения зависит от соотношения токов через переходы. Основным технологическим методом изготовления светодиодов является метод эпитаксиального наращивания. Это жидкофазная эпитаксия или эпитаксия из газовой фазы. В некоторых случаях, в основном, при использовании карбида кремния, применяется метод диффузии примесей (акцепторных или донорных) из газовой фазы, проводящийся внутри кварцевых ампул.

Одним из основных параметров светодиодов является: яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (измеряется в канделах на квадратный метр).

Спектральная характеристика светодиода выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения светодиода. Длина волны излучаемого света определяется разностью энергий двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации и определяется исходным полупроводниковым материалом и легирующими примесями.

Излучение светодиода также характеризуется диаграммой направленности (угол половинной яркости), которая определятся конструкцией светодиода, наличием линзы и оптическими свойствами защищающего кристалл материала (измеряется в градусах). Излучение светодиода может быть узконаправленным или рассеянным.

Основные параметры светодиодов зависят от окружающей температуры. С увеличением температуры яркость (сила света), а также падение напряжения на светодиоде уменьшается. Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры может изменяться в 2-3 раза. Промышленные светодиоды имеют сравнительно большой разброс параметров и характеристик от образца к образцу.

Светодиоды, применяемые в наружной рекламе, должны соответствовать самым высоким требованиям к зависимости яркости от температуры окружающей среды и выдерживать диапазон температур от –40°С до +80°С, не изменяя яркости (силы света). Такие параметры светодиодов могут обеспечить только фирмы-лидеры в своей области, работающие на самом современном высокотехнологичном оборудовании и использующие самые современные технологии.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10-8с после подачи импульса прямого тока, что делает их незаменимыми в световой рекламе, несущей быстро сменяемую информацию.

По внешнему конструктивному признаку светодиоды подразделяются на приборы в металлических корпусах со стеклянной линзой (обладают весьма острой направленностью излучения) и пластмассовых корпусах из оптически прозрачного, чаще цветного компаунда, создающего рассеянное излучение. Именно эти светодиоды и применяются в наружной и интерьерной рекламе, обеспечивая одновременно и достаточную яркость, и максимально возможный угол просмотра.

Обзор схем включения и управления современными светодиодами

Пескин Александр

Благодаря большой яркости свечения, привлекательному форм-фактору, мизерному потреблению тока, долговечности и высокой механической прочности светодиоды (LED – Light Emitting Diode) быстро набирают популярность при конструировании современных портативных приборов (например, мобильных телефонов, персональных цифровых секретарей, навигаторов и т. п.), больших телевизионных экранов, автомобильной электроники, оптических решений в архитектуре, ландшафтном дизайне, интерьере и т. д. В статье дается обзор схем включения и управления светодиодами, используемыми в различных сегментах рынка.

Светодиоды в портативных приборах

На первом месте стоит, конечно, использование светодиодов в схемах задней подсветки активных TFT-матриц LCD-дисплеев, широко применяемых сегодня в большинстве портативных приборов. Так как все они питаются обычно от одного-единственного литиевоионного аккумулятора, общее потребление прибора зависит от числа используемых светодиодов, способов их включения (последовательное или параллельное), тока через каждый светодиод и, конечно же, от КПД устройства. На рис. 1 показано три различных способа управления большим количеством светодиодов с помощью микросхем фирмы Texas Instruments. При последовательном соединении через все светодиоды цепи протекает равный ток, что обеспечивает одинаковую яркость их свечения. Выходное напряжение повышающего преобразователя (рис. 1а) хорошо приспособлено к последовательному включению светодиодов — КПД такой схемы достигает 85% и более. Малое количество соединений между источником энергии (в данном случае микросхемой TPS6106Х) и светодиодами дает еще одно преимущество, особенно ценное в мобильных телефонах-«раскладушках».

Напротив, достоинством параллельного соединения является то, что при выходе из строя одного светодиода не отключается вся подсветка, как это обязательно происходит при последовательном соединении. Существует два возможных вида питания цепей параллельного соединения светодиодов: линейный стабилизатор нагрузочного тока (рис. 1б) и так называемая подкачка заряда (рис. 1в). Чтобы найти оптимальную схему управления, необходимо более детально рассмотреть условия работы. Типовое прямое напряжение (падение напряжения при номинальном прямом токе) одного белого светодиода в зависимости от величины тока составляет 2,5–5 В. Линейный стабилизатор тока является наиболее оптимальным по стоимости и самым эффективным видом управления только в тех случаях, когда используются подходящие светодиоды с наименьшим прямым напряжением, способные работать при разряженном до напряжения 3 В аккумуляторе. Параллельное соединение используется преимущественно в подсветке с задней стороны клавиатур приборов — в случае, когда светодиоды потребляют ток менее 10 мА.

Рис. 1. Способы управления светодиодами, работающими в схемах задней подсветки ЖК-дисплеев, питающихся от аккумуляторов: а) повышающий преобразователь напряжения с катушкой индуктивности; б) линейный стабилизатор нагрузочного тока; в) генератор подкачки заряда

Если прямое напряжение светодиода выше минимального рабочего напряжения аккумулятора (за вычетом необходимого падения напряжения во внутренних цепях), то в этом случае необходимо повышать напряжение с помощью генератора подкачки заряда (рис. 1в). В этом примере используется микросхема TPS60250, которая оптимизирует КПД посредством динамического переключения усиления напряжения в полтора раза. Во всех схемах параллельного подключения светодиодов необходимо точное внутреннее выравнивание их токов с целью достижения одинаковой степени освещенности и постоянства цветового спектра дисплея. Как линейный источник постоянного тока на микросхеме TPS75105, так и генератор подкачки заряда на микросхеме TPS60250 обеспечивают 2%-ную точность выравнивания токов даже при очень малых их значениях.

Дисплеи на органических светодиодах (OLED — Organic LED) отличаются в значительной степени и принципиально от TFT LCD-дисплеев, поскольку они не требуют задней подсветки, а состоят из самосветящихся пикселов. К настоящему времени применение этой многообещающей технологии распространено только на маленькие экраны с небольшой продолжительностью включения, чтобы обойти пока еще существующую проблему малого срока службы OLED при высокой плотности светового потока. Типичным примером применения OLED является второй (внешний) дисплей раскладного мобильного телефона. Изображенная на рис. 2 схема на микрочипе TPS61140/1 дает возможность одновременного подключения светодиодов задней подсветки обычного первого TFT LCD-дисплея и второго OLED-дисплея, управляемого напряжением посредством повышающего преобразователя с одной катушкой индуктивности.

Рис. 2. Способ одновременного управления одной схемой обычными светодиодами задней подсветки первого дисплея и второго OLED-дисплея мобильного телефона

Дальнейшие, более сложные требования к освещению привели к тому, что производители полупроводников обратили внимание на мобильные приборы с цифровым интерфейсом и программируемым процессорным управлением. Одним из примеров могут быть управляемые разноцветные мигающие огни, которые используют так называемые многокристальные RGB-светодиоды, состоящие обычно из трех кристаллов, светящихся красным, зеленым и синим цветами и расположенных на одной подложке. Микросхема ТСА6507 (рис. 3) дает возможность управлять такими светодиодами. Она программируется посредством цифровой шины I2С и управляет светодиодами автономно, без участия процессора.

Рис. 3. Структурная схема микросхемы ТСА6507

Пока еще низкая светочувствительность распространенных сейчас цифровых фотокамер в составе мобильных телефонов образовала еще одну нишу для разработки микросхем управления светодиодами. Имеется в виду возможность создания в цифровых камерах дополнительной подсветки объекта белыми светодиодами (так называемая вспышка). Для получения приемлемого изображения необходимо достичь освещенности вспышки 100 лк на расстоянии 1 м, поэтому ток светодиода зачастую может достигать значения 1,2 А. По этой причине здесь используется преобразователь напряжения с катушкой индуктивности (рис. 4), что позволило получить высокий КПД. Световой поток и длительность вспышки устанавливаются по цифровой шине I2C. Важно иметь в виду, что возникает проблема потребления большого тока от аккумулятора при одновременном действии вспышки и высокочастотного вызывного сигнала усилителя мобильного телефона. Это может вызвать потребление до 3,5 А, что приведет к быстрому истощению аккумулятора и более раннему отключению телефона. Поэтому все современные схемы управления светодиодными вспышками обязательно имеют защиту от включения во время посылок импульсов GSM.

Рис. 4. Схема преобразователя напряжения вспышки цифровой камеры на микросхеме TPS61050

Малые габариты корпусов современных микросхем, высокие частоты переключения, использование оптимизированных малогабаритных катушек индуктивности, более высокий КПД делают возможным создание более плоских, портативных приборов, в которых могут использоваться помимо прочего различные световые и цветомузыкальные эффекты, бегущие огни, светящиеся корпуса — фантазии производителей нет предела.

Транзисторный ключ. Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе транзистора всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

10. Условия возникновения индуцированного (лазерного излучения): Первое – наличие активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденного, индуцированного излучения. Второе – наличие механизма возбуждения активной среды, или накачки, создающего инверсную населенность энергетических уровней. Для полупроводниковых лазеров – инжекция носителей заряда через р-n-переход. Третье – наличие положительной обратной связи, для чего часть сигнала возвращается обратно в кристалл для дополнительного усиления. Четвертое – обеспечение условий ограничения: – электрическое – состоит в необходимости обеспечить протекание максимальной доли электрического тока, проходящего через кристалл, непосредственно через активную область; – электронное – требует предотвратить "растекание" возбужденных электронов из активной среды в пассивные области кристалла; – оптическое – состоит в необходимости удержания светового луча в активной среде при многократных проходах через кристалл; в инжекционных лазерах обеспечивается за счет того, что активная область имеет несколько боль- 2 ший показатель преломления из-за разницы в характере и степени легирования областей кристалла, при этом возникает эффект самофокусировки луча. Пятое – наличие порога возбуждения, который возникает за счет различного рода потерь: поглощения части излучения, разогрева кристалла, неидеальности зеркал резонатора, спонтанного излучения краевых дефектов и т.д.

Лазерное усиление – усиление оптического излучения, основанное на использовании индуцирующего излучения – при воздействии кванта излучения на атом в возбужденном состоянии, происходит переход электрона из состояния с энергией E2 в состояние с энергией Е1, сопровождаемый испусканием кванта из- лучения c энергией, равной энергии вынуждающего кванта (hν = hνind = Е2 – El). В среде с достаточной концентрацией возбужденных атомов при пропускании через нее излучения, можно получить режим усиления, если количество образовавшихся фотонов существенно больше потерь на поглощение и рассеяние.

Условие лазерной генерации и порог возбуждения.Чтобы превратить усилитель оптического излучения в генератор, необ- ходимо организовать петлю положительной обратной связи. Наиболее просто это сделать, если поместить активную среду в оптический резонатор – между двумя зеркалами, плоскости которых взаимно параллельны. Для каждой резонансной частоты резонатора устанавливается равновесная плотность оптической мощности, соответствующая равенству усиления на про- ход и общих потерь излучения (включающих энергию выходного луча лазера). Генерация не может начаться, пока коэффициент усиления не превысит потери, т.е. пока уровень инверсии населенности не превысит порог Δnпор. Порог генерации – это энергия, поступающая от источника накачки, при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерации Kν равен об- щему коэффициенту потерь αобщ в оптическом резонаторе на этой же частоте. Коэффициент усиления зависит от инверсной населенности – для полу- 4 проводникового лазера определяется концентрацией избыточных носителей или плотностью тока, протекающего через p-n-переход. Плотность тока, при которой выполняется равенство Kν = αобщ, называется пороговой.

Основные свойства лазерного излучения Понятие монохроматичности характеризует ширину спектра излучения. Чем ширина спектра меньше, тем выше монохроматичность излучения. Для используемых в полиграфии лазеров характерны следующие значения ширины спектра (дрейфа частот): · для газовых — 10-3-10-4 нм; · для твердотельных — 10-1-10-2 нм; · для полупроводниковых — 1-10 нм. Когерентность Понятие когерентности излучения характеризует меру согласования между фазами волн, образующими данное излучение. Два пучка называются когерентными, если разность фаз между волнами остается постоянной за время наблюдения. Свойство временной когерентности излучения лазеров используется в оптоэлектронных приборах для приема и передачи информации. Чем короче волна, тем больший объем информации может быть передан. Направленность Направленным является излучение, которое распространяется в пределах небольшого телесного угла. Высокая направленность обеспечивает максимальную плотность энергии на выходе прибора. Для различных типов лазеров характерны следующие значения направленности: · газовые лазеры — единицы угловых минут; · твердотельные лазеры — до нескольких десятков угловых минут; · полупроводниковые лазеры — до десятков градусов. С целью снижения расходимости лазерного луча используются оптические коллиматоры. Интенсивность Понятие интенсивности характеризует такие фотометрические величины, как сила излучения, яркость и т.д. Чем больше значения этих величин, тем выше интенсивность излучения.

Гетеропереход.

Основным элементом гетероструктур различного типа является гетеропереход. Под гетеропереходом понимается контакт двух различных по химическому составу полупроводников, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала. Различают изотипные и анизотипные гетеропереходы. Если гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости, то говорят об изотипном гетеропереходе. Анизотипные гетеропереходы образуются полупроводниками с разным типом проводимости. Существует три модели гетероперехода: -идеальный гетеропереход; -неидеальный гетеропереход; -гетеропереход с промежуточным слоем. В идеальном гетеропереходе, в отличие от неидеального, на границе раздела материалов отсутствуют локальные энергетические состояния для электронов. Гетеропереход с промежуточным слоем формируется через слой конечной толщины и локальные энергетические состояния могут существовать как в самом промежуточном слое, так и на границах его раздела. В данном пособии рассматривается построение энергетической диаграммы в модели идеального гетероперехода.

11. Ниже приводится классификация лазеров по различным параметрам. 1. Физическое (агрегатное) состояние рабочего вещества лазера: • газовые (гелий-неоновые, гелий-кадмиевые, аргоновые, углекислотные и др.); • эксимерные (аргон-фторовые, криптон-фторовые и др.); • твердотельные (стекло, алюмоитриевый гранат и др., легированные различными ионами); • жидкостные (органические красители); • полупроводниковые (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид-галлиевые, селенид- свинцовые и др.).

 

2. Способ возбуждения рабочего вещества.

• оптическая накачка;

• накачка за счет газового разряда;

• электронное возбуждение;

• инжекция носителей заряда;

• тепловая;

• химическая реакция;

• другие.

 

3. Длина волны излучения лазера: Если спектр излучения сосредоточен в очень узком интервале длин волн (менее 3нм), то принято считать излучение монохроматичным и в его технических данных указывается конкретная длина волны, соответствующая максимуму спектральной линии. Длина волны излучения определяется материалом рабочего вещества, но может изменяться в небольших пределах, например, от температуры. Одинаковые длины волн могут генерировать разные типы лазеров, например, около l =633нм работают лазеры: He-Ne, лазеры на красителях, на парах золота, полупроводниковые (AlGaInP).

 

4. По характеру излучаемой энергии различают непрерывные и импульсные лазеры.

 

Не следует смешивать понятия импульсный лазер и лазер с модуляцией непрерывного излучения, поскольку во втором случае мы получаем по сути дела прерывистое излучение различной частоты и формы но с максимальной мощьностью не превышающей значение в непрерывном режиме или превышающей ее незначительно. Импульсные же лазеры обладают большой мощностью в импульсе, достигающей для некоторых типов 107 Вт и более, но длительность импульса чрезвычайно мала, а средняя мощность за период невелика.

 

5. Очень важной является характеристика средней мощности лазеров: • более 103 Вт — высокомощные лазеры; • менее 10-1 Вт — лазеры малой мощности; Промежуточные значения нас не очень интересуют с точки зрения рассматриваемого материала. К лазерам для медицины нужно подходить с точки зрения оказываемого ими воздействия на биологический объект. В некоторых случаях \»малая мощность\» — 100 мВт может быть очень даже большой. В литературе по лазерной терапии предлагается низкоинтенсивное лазерное излучение условно подразделять на \»мягкое\» — до 4 мВт/см2 , \»среднее\» — от 4 до 30 мВт/см2 и \»жесткое\» — более 30 мВт/см2 .

6. По степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса: Класс 1. Лазерные изделия безопасные при предполагаемых условиях эксплуатации. Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания. Класс 3А. Лазерные изделия безопасные для наблюдения незащищенным глазом. Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапозоне длин волн от 400 до 700 нм, защита обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания. Для других длин волн опасность для незащищенного глаза не больше чем для класса 1. Непосредственное наблюдение пучка, испускаемого лазерными изделиями класса 3А с помощью оптических инструментов (например, бинокль, телескоп, микроскоп), может быть опасным. Класс 3В. Непосредственно наблюдение таких лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное излучение обычно безопасно.

Особенности твердотельных и газовых лазеров.

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Гелий-неоновый лазер	632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм)	Электрический разряд	Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.
Аргоновый лазер	488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм)	Электрический разряд	Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.
Криптоновыйлазер	416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм	Электрический разряд	Научные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу.
Ксеноновыйлазер	Множествоспектральных линийпо всему видимомуспектру и частично вУФ и ИК областях.	Электрический разряд	Научные исследования.
Азотный лазер	337,1 нм (316; 357 нм)	Электрический разряд	Накачка лазеров на красителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры.
Лазер нафтористом водороде	2,7—2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6—4,2 мкм (фторид дейтерия)	Химическая реакция горенияэтилена и трёхфтористого азота(NF3), инициируемая электрическим разрядом (импульсный режим)	Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей и в импульсном режиме в области тераваттных мощностей. Один из самых мощных лазеров. Лазерные вооружения. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС).
Химический лазер на кислороде и иоде (COIL)	1,315 мкм	Химическая реакция в пламенисинглетного кислорода и иода	Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей. Также создан и импульсный вариант. Научные исследования, лазерные вооружения. Обработка материалов. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). В перспективе: источник накачки неодимовых лазеров и рентгеновских лазерных систем.
Углекислотный лазер (CO2)	10,6 мкм, (9,6 мкм)	Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд, химическая реакция (DF-CO2лазер)	Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.
Лазер на монооксиде углерода (CO)	2,5—4,2 мкм, 4,8—8,3 мкм	Электрический разряд; химическая реакция	Обработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.
Эксимерный лазер	193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)	Рекомбинация эксимерныхмолекул при электрическом разряде	Ультрафиолетовая литография в полупроводниковой промышленности, лазерная хирургия, коррекция зрения.
Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Рубиновый лазер	694,3 нм	Импульсная лампа	Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазера (1960).
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием неодимом(Nd:YAG)	1,064 мкм, (1,32 мкм)	Импульсная лампа, лазерный диод	Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров. Один из самых распространённых лазеров высокой мощности. Обычно работает в импульсном режиме (доли наносекунд). Нередко используется в сочетании с удвоителем частоты. Известны конструкции с квазинепрерывным режимом излучения.
Лазер на фториде иттрия-лития с легированиемнеодимом (Nd:YLF)	1,047 и 1,053 мкм	Импульсная лампа, лазерный диод	Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.
Лазер на ванадате иттрия(YVO4) с легированиемнеодимом (Nd:YVO)	1,064 мкм	Лазерные диоды	Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.
Лазер на неодимовомстекле (Nd:Glass)	~1,062 мкм (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла)	Импульсная лампа, Лазерные диоды	Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты до 351 нм в устройствах лазерной плавки. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Накачка рентгеновских лазеров.
Титан-сапфировый лазер	650—1100 нм	Другой лазер	Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования.
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием тулием(Tm:YAG)	2,0 мкм	Лазерные диоды	Лазерные радары
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием иттербием(Yb:YAG)	1,03 мкм	Импульсная лампа, Лазерные диоды	Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры.
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием гольмием(Ho:YAG)	2,1 мкм	Лазерные диоды	Медицина
Церий-легированный литий-стронций (или кальций)-алюмо-фторидный лазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF)	~280-316 нм	Лазер Nd:YAG с учетверением частоты,Эксимерный лазер, лазер на парахртути.	Исследование атмосферы, лазерные дальномеры, научные разработки.
Лазер на александрите с легированием хромом	Настраивается в диапазоне от 700 до 820 нм	Импульсная лампа, Лазерные диоды. Для непрерывного режима — дуговая ртутная лампа	Дерматология, лазерные дальномеры.
Волоконный лазер лазер с легированием эрбием	1,53-1,56 мкм	Лазерные диоды	Оптические усилители в волоконно-оптических линиях связи, обработка металлов (резка, сварка, гравировка), термораскалывание стекла, медицина, косметология.
Лазеры на фторидекальция, легированномураном (U:CaF2)	2,5 мкм	Импульсная лампа	Первый 4-х уровневый твердотельный лазер, второй работающий тип лазера (после рубинового лазера Маймана), охлаждался жидким гелием, сегодня нигде не используется.

Открытый резонатор.

ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР - колебательная система, состоящая из отражателей, осуществляющих путём многократных отражений волновых пучков локализацию (удержание) резонансных волновых полей в конечной области пространства.

Резонатор называется неустойчивым, когда произвольный луч, последовательно отражаясь от каждого из зеркал, удаляется на неограниченно большое расстояние от оси резонатора. Наоборот, резонатор, в котором луч остается в пределах ограниченной области, называется устойчивым. В резонаторе, образованном парой зеркал только для определенного диапазона значений длин резонатора и радиусов кривизны зеркал возможно выполнение условий обеспечивающих устойчивую локализацию света в резонаторе, в противном случае сечение пучка с каждым проходом будет увеличиваться, становясь больше размеров зеркал, и, в конечном итоге, будет потеряно.

Соотношение радиусов кривизны зеркал и оптической длины резонаторадля обеспечения устойчивости должно удовлетворять следующему соотношению:

Введя обозначения

,

удобно графически показать области устойчивости в координатах . Тёмные области на рисунке отвечают значениям, при которых резонатор устойчив.

Свет многократно отражается, образуя стоячие волны с определенными резонансными частотами. Продольныемоды отличаются, как правило, только частотой, в то время как поперечные моды имеют существенно различное распределение интенсивности в сечении луча.

12. Классификация оптронов.

Одним из основных элементов оптоэлектронных цепей является оптрон, представляющий собой оптически связанную пару из электрически управляемого источника оптического из­лучения и фотоприемника, электрические характеристики которого могут в достаточно ши­роких пределах изменяться в зависимости от интенсивности излучения.

В основу классификации оптронов могут быть положены различные критерии.

Оптроны можно классифицировать по их главному функциональному назначению. Здесь различают оптроны трех типов:

- оптроны с внешней оптической и внутренней электрической связями, предназначен­ные для усиления к преобразования излучения;

- оптроны с внутренней оптической связью, используемые в качестве переменных со­противлений;

- оптроны с электрической связью, используемые в качестве ключевых элементов. Иными критерием для классификации оптронов может служить тип применяемого фо­топриемника, выбором которого в основном определяются параметры оптронов. По типу используемого фотоприемника оптроны подразделяются на использующие фотодиоды (рис. 7.6, а), одиночные фототранзисторы (рис. 7.6, б), составные фототранзисторы (рис. 7.6, в), фототиристоры (рис. 7.6, г) и фоторезисторы (рис. 7.6, <)).

Бег Рис. 7.6. Условные обозначения оптопар

К основным параметрам оптрона относятся: коэффициент передачи тока, сопротивле­ние развязки и быстродействие.

Коэффициент передачи тока К, определяется как отношение тока на выходе оптрона к току на входе

К =т]н*Пфпс. С71)

Где т] = --- ---------- квантовая эффективность излучателя, определяемая отношением числа

1Ю/Я

Излученных квантов Ыи к числу электронов, прошедших через /?—и-переход излучателя /вх/#; к — коэффициент, характеризующий передачу света от излучателя к фотоприемнику; г)ф„ — эффективность фотоприемника, определяемая как отношение числа носителей заряда, про­шедших в выходной цепи, к числу поглощенных квантов; С — коэффициент усиления.

Увеличение коэффициента передачи — одна из основных задач, которые стоят при кон­струировании оптронов, поэтому целесообразно проследить возможность повышения каж­дой из его составляющих.

Увеличение квантовой эффективности излучателя может быть достигнуто за счет повы­шения доли излучательных переходов в процесс рекомбинации, что связано с:

- совершенствованием структуры и повышением чистоты полупроводникового мате­риала;

- использованием для излучателей непрямозонных полупроводников, в которых про­цесс излучательной рекомбинации связан с наличием мелких рекомбинационных цен­тров, в силу чего излучаются кванты, энергии которых меньше энергии, соответст­вующей ширине запрещенной зоны полупроводника, и, следовательно, вероятность поглощения которых в полупроводнике существенно снижается;

- использованием кристаллов специальной формы (например, полусферической) и по­крытий с коэффициентами преломления, близкими к коэффициенту преломления по­лупроводника, для снижения потерь, связанных с полным внутренним отражением на границе раздела полупроводника с окружающей средой.

Эффективность фотоприемника определяется его электрофизическими и структурно-то­пологическими параметрами. Выбор оптимального сочетания этих параметров при конст­руировании фотоприемника с учетом требований к его спектральной характеристики позво­ляет повысить эффективность т]фп. Высокая спектральная согласованность фотоприемника и

ИЗЛучатеЛЯ-------- ОДНО ИЗ ОСНОВНЫХ СреДСТВ ПОВЫШеНИЯ Т]ф„.

Повышение к состоит в снижении зазора между излучателем и фотоприемником и оптимальном выборе оптической среды между ними. Кроме того, повышение к может быть достигнуто снижением коэффициента отражения на границе оптической среды и фотоприемника за счет нанесения просветляющего слоя. Показатель преломления слоя

Пс должен быть равен («м — показатель преломления покрываемого материала),

X

А разность фаз падающей и отраженной волн п с! =—(2/я + 1) должна быть кратной я.

4

(Здесь к — длина волны; <1 — толщина просветляющего слоя, т= 1, 2, 3, ...) При вы­полнении этих условий отражение излучения с длинной волны X = 4^/7с равно нулю. Внутреннее усиление характерно для таких фотоприемников, как фототранзистор, фото­тиристор.

Увеличение (7 может быть достигнуто, если совместно с фотоприемником на одном кристалле изготавливается усилитель. В простейшем случае — это один дополнительный транзистор к фототранзистору (схема Дарлингтона).

Необходимо учитывать, что обычно увеличение (7 ведет к снижению быстродействия и ухудшению температурной стабильности.

Более полное представление о коэффициенте передачи тока дает передаточная характе­ристика для одного из типов оптронов.

Основные характеристики оптронов представлены в табл. 7.1, где быстродействие оп­тронов характеризуется суммарным временем включения и выключения. Резисторные оп­троны принято характеризовать не коэффициентом передачи, а отношением темнового со­противления резистора ЯТ к сопротивлению при освещении Яос.