WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 

Pages:   || 2 | 3 |

«1. Информация из ГОС 1.1. Вид деятельности выпускника. Дисциплина охватывает круг вопросов относящиеся к проектноконструкторской деятельности выпускника: • проектная; • ...»

-- [ Страница 1 ] --

1. Информация из ГОС

1.1. Вид деятельности выпускника.

Дисциплина охватывает круг вопросов относящиеся к проектноконструкторской деятельности выпускника:

• проектная;

• научно-исследовательская;

• производственно-технологическая;

• организационно-управленческая;

• сервисно-эксплуатационная.

1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника.

В ГОС-2 указаны следующие задачи профессиональной деятельности выпускника, рассматриваемые в дисциплине:

а) проектная деятельность:

• разработка структурных и функциональных схем радиотехнических систем и комплексов и принципиальных схем устройств с использованием средств компьютерного проектирования, проведением проектных расчетов и техникоэкономическим обоснованием принимаемых решений;

• участие в наладке, испытаниях и сдаче в эксплуатацию опытных образцов радиотехнических устройств и систем;

б)научно-исследовательская деятельность:

• моделирование объектов и процессов с целью анализа и оптимизации их параметров с использованием имеющихся средств исследований, включая стандартные пакеты прикладных программ;

• разработка программы экспериментальных исследований, ее реализация, включая выбор технических средств и обработку результатов;

• составление обзоров и отчетов по результатам проводимых исследований в) производственно-технологическая:

• - разработка и внедрение технологических процессов настройки, испытаний и контроля качества изделий;

г) организационно-управленческая деятельность:

• разработка планов научно-исследовательских, и опытно-конструкторских работ, управление ходом их выполнения;

д) сервисно-эксплуатационная деятельность:

• эксплуатация и техническое обслуживание радиотехнических систем и комплексов;

• ремонт и настройка радиотехнических устройств различного назначения.

1.3. Перечень умений и знаний, установленных ГОС.

Выпускник должен:

знать:

технические характеристики и экономические показатели отечественных и зарубежных разработок в области радиоэлектронной техники;




основную аппаратуру для измерения характеристик радиотехнических цепей и сигналов;

современные средства вычислительной техники, коммуникации и связи;

основные научно-технические проблемы и перспективы развития радиотехники и областей ее применения;

элементную базу, основные структуры, схемотехнику, свойства и методы расчета устройств формирования, излучения, приема, усиления и обработки сигналов;

структуры и возможности основных систем получения и передачи информации об окружающей среде и объектах материального мира;

методы хранения, обработки, передачи и защиты информации;

физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия приборов и устройств радиоэлектроники;

уметь применять:

методы исследования, проектирования и проведения экспериментальных работ;

методы организации и осуществления измерений и исследований, включая организацию и проведение стандартных испытаний и технического контроля, обеспечивающих требуемое качество продукции;

1.4. Основные дидактические единицы (дополнение к ГОС).

Индекс Наименование дисциплины и ее основные разделы Всего часов Оптоэлектронные системы обработки, хранения и переда- ЕН.В.10.02 чи информации:

Свойства оптического диапазона длин волн. Явления, связанные с волновой природой света: интерференция, дифракция, дисперсия, поляризация световых волн. Явления, связанные с корпускулярной природой света: тепловое, люминесцентное излучение (спонтанное и индуцированное), фотоэффект. Источники и приемники оптического излучения. Перспективы развития лазерной техники. Принцип работы лазеров со сверхкороткими импульсами. Современные лазерные измерительные системы. Физические основы голографии. Применение голографических устройств в измерительных системах, в системах распознавания образов, в оптических запоминающих устройствах, в оптических процессорах. Принцип построения, основные компоненты современных оптических интегральных систем. Применение оптических интегральных систем для хранения, обработки и передачи информации. Принцип построения и основы работы волоконно-оптических систем. Перспективы развития оптической связи.

2. Цели и задачи освоения содержания дисциплины.

Цель данного курса – ознакомление студентов с широкими возможностями применения оптических методов в системах передачи, обработки и хранения информации, в измерительных системах, подготовка специалистов в области основ теории и принципов работы оптических устройств обработки информации.

Основные задачи курса:

Получение общих представлений о физических явлениях и эффектах, лежащих в основе работы оптоэлектронных систем;

Изучение принципа работы компонентов оптоэлектронных систем;

Изучение устройства и принципа работы современных лазерных измерительных систем;

Изучение современных оптических систем записи, хранения и обработки информации;

Изучение принципа работы и устройства современных интегральных оптических систем Получение необходимых знаний по физическим и теоретическим основам функционирования оптических систем передачи и обработки сигналов;





3. Перечень компетенций, приобретаемые студентом после освоения содержания дисциплины.

После освоения содержания дисциплины студенты должны:

уметь:

описывать физические процессы, протекающие при генерации и распространении оптического излучения в различных средах;

рассчитывать параметры оптоэлектронных систем;

составлять схемы оптоэлектронных измерительных систем; систем хранения, обработки и передачи информации.

знать:

физические явления и эффекты, используемые при работе оптоэлектронных систем принцип работы и устройство основных компонент оптоэлектронных устройств, схемы построения современных оптоэлектронных систем обработки, хранения и передачи информации; оптических измерительных систем иметь представление:

об особенностях оптического диапазона длин волн, об областях применения оптоэлектронных приборов, о возможностях оптоэлектронных приборов;

4. Место дисциплины в структурно-логической схеме.

Для изучения дисциплины, необходимо освоения содержания дисциплин:

«Физика», «Физических основ электроники», «Основы теории колебаний и волн»

Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания дисциплины, будут использоваться в:

«Оптических устройствах в радиотехнике».

«Оптоэлектронные системы обработки, хранения и передачи информации» является дисциплиной национально-регионального компонента.

5. Перечень видов занятий и их трудоемкость (по учебному плану).

6. Содержание дисциплины:

6.1. Перечень основные разделов и тем дисциплины.

ВВЕДЕНИЕ

Преимущества оптического диапазона длин волн для обработки и передачи информации. Области применения оптоэлектронных систем. Классификация оптоэлектронных приборов.

1. Физические явления и эффекты, лежащие в основе работы оптоэлектронных 1.1 Физические явления, связанные с волновой природой света 1.1.1 Интерференция световых волн Когерентность и монохроматичность световых волн. Понятие интерференции.

Методы наблюдения интерференции света. Расчет интерференционной картины от двух источников. Интерференция света в тонких пленках.

1.1.2 Дифракция света Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на щели и дифракционной решетке.

Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке.

1.1.3 Дисперсия света Понятие дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсия. Электронная теория дисперсии.

1.1.4 Поляризация света Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при отражении и преломлении. Двойное лучепреломление.

1.1.5 Физические эффекты, связанные с волновой природой света Электрооптические эффекты. Эффект Поккельса, модулятор на его основе. Эффект Керра, затворы Керра. Фотоупругий эффект.

Нелинейные оптические эффекты. Генерация второй гармоники. Параметрическое излучение. Многофотонное поглощение. Автофокусировка. Эффект Рамана.

Эффект Мандельштама-Бриллюэна.

Магнитооптические эффекты: эффект Керра, его применение для записи и считывания информации. Эффект Фарадея, оптические модуляторы и оптические вентили на его основе.

Акустооптический эффект. Дифракция Рамана-Ната. Дифракция Брэгга.

Эффект Доплера 1.1.6 Основы голографии Понятие голографии. Особенности голографии. Запись голограммы плоской волны и восстановление изображения. Запись голограммы точечного объекта и восстановление изображения. Цифровая голограмма. Схемы получения голограмм. Толстослойная голограмма и ее отличительные особенности.

1.2 Физические явления, связанные с корпускулярной природой света 1.2.1 Тепловое излучение Понятие теплового излучения, его особенности. Абсолютно черное тело. Характеристики теплового излучения. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса. Закон излучения Вина. Формула Планка.

Применение теплового излучения.

1.2.2 Люминесцентное излучение света (спонтанное и вынужденное) Люминесцентное излучение света. Спонтанное и вынужденное излучение 1.2.3 Внешний и внутренний фотоэффект, пироэлектрический, болометрический эффект Поглощение света. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект. Законы Столетова.

Уравнение Эйнштейна. Красная граница фотоэффекта. Внутренний, вентильный фотоэффект. Применение фотоэффекта.

1.2.4 Эффект Комптона Эффект Комптона.

2.1. Источники излучения Естественные и искусственные источники излучения. Тепловые источники. Светодиоды. Электролюминисцентные ячейки, конденсаторы. Лазеры. Классификация лазеров. Характеристики лазерного излучения.

2.2. Приемники излучения Тепловые приемники. Термоэлементы. Болометры. Пироприемники. Оптикоакустические приемники. Люминесцентные приемники. Фотоэлектрические приемники. Приемники, работающие на фотоэлектронной эмиссии. Фотоэлементы. Фотоэлектронные умножители. Электронно-оптические преобразователи. Приемники, работающие на внутреннем фотоэффекте. Фоторезисторы. Фотогальванические элементы. p-i-n –фотодиоды. Лавинные фотодиоды. Гетерофотодиоды. Биполярные фототранзисторы, фототиристоры. Многоэлементные фотоприемники. Фотохимические приемники 2.3. Оптроны Устройство и основные параметры оптронов. Резисторные оптопары. Диодные оптопары. Транзисторные и тиристорные оптопары. Применение оптронов 3. Применение лазерных оптоэлектронных систем 3.1. Современные методы получения лазерного излучения со сверхкороткими импульсами Импульсные лазеры наносекундного диапазона. Виды затворов, применяемые для создания лазерных испульсов. Механические затворы. Метод прожигания в затворах. Оптические затворы. Фототропные затворы. Режим модуляции добротности резонатора. Режим синхронизации мод. Пикосекундные и фемтосекундные лазеры.

Использование дисперсионных свойств среды для создания фемтосекундных лазеров. Использование нелинейных свойств среды для создания фемтосекундных лазеров. Области применения пико- и фемтосекундных лазерных импульсов 3.2. Лазерные системы для измерения линейных размеров Лазерные системы для измерения линейных размеров. Измерение размеров изделий.

3.4. Лазерные системы для измерения расстояний Измерение расстояний интерферометрическим методом. Измерение расстояний фазовым методом. Измерение расстояний импульсным методом.

3.5. Лазерные системы измерения скорости Лазерные системы для измерения скорости потока жидкости или газа. Лазерные гироскопы.

4. Современная интегральная оптоэлектроника 4.1. Классификация оптических интегральных систем Компоненты интегрально-оптических систем. Типы оптических интегральных микросхем.

4.2. Планарные волноводы Оптические волноводы. Планарные волноводы. Трехмерные волноводы. Материалы для волноводов. Ввод излучения в волновод.

4.3. Пассивные элементы ОИС Планарные устройства ввода и вывода излучения. Элементы связи. Направленные ответвители. Волноводная Линза. Линза Люнеберга. Геодезическая линза. Волноводная линза Френеля. Волноводный акустооптический модулятор. Электрооптический модулятор решеточного типа. Магнитооптический модулятор.

4.4. Активные элементы ОИС Лазерные источники в интегрально-оптических системах. Требования к приемникам интегрально-оптических систем. Конструкции фотоприемников.

5. Применение оптических методов в системах записи, хранения и обработки информации 5.1. Оптические процессоры Принцип действия оптического процессора. Оптическая система для выполнения операции умножения. Запись информации с помощью управляемого транспаранта.

Голографический процессор. Схема умножения оптических сигналов с модуляцией по амплитуде и фазе.

5.2. Применение ОИС в системах записи, хранения и обработки информации Оптическая схема преобразования Фурье. Пространственная фильтрация оптических сигналов. Оптические методы распознавания образов. Оптоэлектронные запоминающие устройства. Голографические запоминающие устройства 6. Волоконно-оптические системы передачи информации 6.1. Построение волоконно-оптических систем передачи Достоинства волоконно-оптических систем передачи, их применение и перспективы развития. Построение волоконно-оптических систем передачи. Современные методы модуляции и демодуляции оптического излучения. Применение мультиплексирования.

6.2. Физические основы работы волоконно-оптических систем Структура оптического волокна. Физические основы распространения излучения в оптических волокнах. Виды оптических волокон. Критическая частота и критическая длина волны. Одномодовые и многомодовые волокна.

6.3. Компоненты волоконно-оптических линейных трактов Компоненты волоконно-оптических линейных трактов. Устройства ввода и вывода излучения. Соединители. Направленные ответвители. Мультиплексоры, демультиплексоры.

6.2. Краткое содержание теоретической части разделов и тем дисциплины

ДОСТОИНСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ

СИСТЕМ

1.1. Преимущества оптического диапазона длин волн При переходе к оптическому диапазону (частота световых колебаний f= 10...10 Гц) увеличивается частота, используемая для передачи полезного сигнала, т. е. несущая. Это значительно расширяет доступную для передачи полосу частот, а, следовательно, и информационную емкость системы.

Малая длина световой волны ( = c/f, где с - скорость света) обеспечивает весьма высокую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах.

Угловая расходимость светового луча пропорциональна длине волны. Так как длина волны света весьма мала, возможно получение световых пучков с очень малой расходимостью. Это позволяет передавать оптическую энергию с малыми потерями в небольшие области пространства.

Т.к. источник и приемник в оптоэлектронном приборе не связаны электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового излучения, они не влияют друг на друга.

Оптоэлектронные приборы отличает высокая помехозащищенность. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически нечувствительны к электромагнитным помехам.

Оптоэлектронные приборы имеют также возможность и временной (как в радиотехнике), и пространственной модуляции сигнала. Это позволяет производить параллельную обработку информации, что очень важно при создании высокопроизводительных вычислительных комплексов.

1.2. Области применения оптоэлектронных систем Оптоэлектронные приборы применяют:

в промышленном производстве (обработка резанием, термическая обработка, прецизионная обработка);

в промышленных измерениях (неразрушающий контроль, точный анализ, голографические измерения, сверхскоростные измерения);

в других измерениях и при изучении окружающей среды (измерения загрязнений среды, определение координат, геологоразведка), в спектральном анализе (анализ нелинейных спектров, биологический анализ);

в сверхскоростной спектроскопии (спектральный анализ в сверхкоротких световых импульсах);

при производстве энергии (ядерный синтез);

при передаче энергии (передача световой энергии);

в медицине (хирургия – лазерный скальпель, терапия – фотокоагулятор, диагностика – определитель клеток, тифлотехника – лазерная трость);

в фотохимии (разделение изотопов);

при обработке информации (запись на видеодиск, лазерная печать, считывание штрихкодов, получение трехмерных изображений, оптическая вычислительная техника);

в оптической связи (связь по оптическим волокнам, пространственная связь, космическая оптическая связь, связь компьютеров).

1.3. Оптоэлектронные приборы и их классификация Оптоэлектронные приборы по выполняемым функциям можно разделить на следующие группы:

источники излучения (светодиоды, полупроводниковые лазеры, газовые лазеры, твердотельные лазеры, химические лазеры);

фотоприемники (солнечные батареи, фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы, датчики образа, телевизионная передающая трубка, фотоэлемент, фотоумножитель, пироэлектрический прибор);

оптические волноводы (волоконно-оптические световоды, пленочные световоды, волноводная линза);

дисплеи (светодиодный, электролюминесцентный, фосфоресцентный, жидкокристаллический, электрохромный);

модуляторы света и отклоняющие системы (система зеркал, электро-, акусто-, магнитооптические приборы, инжекционный излучатель);

устройства оптической памяти (устройства на основе фотопленки, фотохромных материалов, термопластиков, аморфных полупроводников, голограммы);

интегральные устройства (оптические ИС, оптоэлектронные ИС);

функциональные приборы (преобразователь некогерентного образа в когерентный, оптический бистабильный элемент, оптический вентиль, оптрон).

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ЭФФЕКТЫ. ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ РАБОТЫ

ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ВОЛНОВОЙ ПРИРОДОЙ СВЕТА

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

По современным представлениям свет имеет двойственную природу: электромагнитная волна и поток элементарных частиц фотонов.

Волновые свойства света проявляются в процессах распространения света: интерференции, дифракции, дисперсии, поляризации. Корпускулярные – в процессах генерации, поглощения света, взаимодействия света с веществом: тепловое излучение, люминесцентное спонтанное и вынужденное излучение, внешний и внутренний фотоэффект, эффект Комптона. Явления давления и преломления света одинаково хорошо описываются и волновой и корпускулярной теорией.

2.1. Интерференция световых волн. Когерентность В электромагнитной волне колеблются значения напряженностей магнитного (вектор H) и электрического полей (вектор E). Опыт показывает, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое действия вызываются колебаниями вектора Е, поэтому именно его называют световым вектором.

Оптический (вызывающий зрительное ощущение) диапазон длин волн от 400 до 760 нм; частот от 0, 39 1015 до 0,75 1015 Герц.

Интенсивность света I – это среднее значение плотности потока энергии, переносимой световой волной. Из электродинамики известно, что она равна вектору Умова – Пойнтинга.

Пусть две когерентные волны ( монохроматические одинаковой частоты с постоянным сдвигом фаз), накладываясь, возбуждают в некоторой точке колебания поля, происходящие по закону тогда, учитывая суперпозицию полей E E1 E 2, получим, произведя усреднение по времени, для интенсивности в точке наложения здесь I - интенсивность результирующей волны; I 1 - интенсивность первого пучка света; I 2 - интенсивность второго пучка света; I 12 - интерференционное слагаемое, учитывающее взаимодействие пучков.

Согласно законам сложения колебаний для амплитуды результирующего колебания имеем 1.Усиление произойдет тогда, когда Cos (2 - 1) = 1.

Косинус будет равен единице, если 2 m, учитывая, что для волн, где l 2 n 2 l1 n1 оптическая разность хода волн (l – геометрический путь), получим, окончательно, условие усиления:

Волны будут усиливать друг друга, если оптическая разность хода будет равна четному числу полуволн.

2. Ослабление Cos (2 - 1) = -1.

А = 0; I = 0;

Зеркала Френель Бипризма Френеля Источники S1 и S2 находятся на расстоянии d друг от друга и являются когерентными.

Интенсивность в произвольной точке оптической разностью хода. При выполнении условия l d Тогда условия максимума и минимума:

Ширина интерференционной полосы – расстояние между двумя соседними максимумами (минимумами):

Свет отражается от тонкой пленки толщиной d с показателем преломления n.

Отражение происходит от верхней и нижней границ пленки. Геометрическая разность хода = (AB +BC) – AD. Сделаем преобразования, учтем показатель преломления и отражение в точке А от более плотной среды, что меняет фазу отраженного луча, получим:

наблюдается, так как не соблюдается временная 0,06мм).

интерференции: клин (полосы равной толщины), кольца Ньютона и др. Интерференция имеет практическое использование, так, клин применяют для контроля чистоты обработки поверхности, интерферометры также широко известны как приборы для определения скорости света.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Под дифракцией света понимают огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути. В более широком смысле - всякое отклонение от прямолинейного распространения.

Явление дифракции можно объяснить с помощью принципа Гюйгенса-Френеля:

световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлении как результат суперпозиции (интерференции) вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками Различают два вида дифракции. Если источник света S и точка наблюдения P расположены так далеко от препятствия, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку наблюдения образуют параллельные лучи - это дифракция Фраунгофера. Если близко, то пучки расходящиеся (и сходящиеся), то это дифракция Френеля.

Определим колебания в точке P, возбуждаемые волной в изотропной однородной ность на кольцевые зоны так, что зоны Френеля. Видно, что где m – номер зоны. Колебания от площади зон Френеля примерно равны. Радиусы зон Френеля определяются выражением:

Амплитуды колебаний, возбуждаемых в точке Р последующими зонами, монотонно убывают: А1 А2 А3… А m-1 А m А m+1 …Фазы колебаний от соседних зон противоположны, таким образом, амплитуда колебаний в точке P может быть представлена в виде Откуда амплитуда в точке наблюдения 3.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске 1. Дифракция от круглого отверстия Отверстие открывает m первых зон Френеля, его радиус r0 таков, что r0 «a и r0 « b. Амплитуда в точке наблюдения «+» берется при нечетном m, «-» - при четном.

большое нечетное число зон, увеличивает амплитуду в точке P почти в 2 раза, а интенсивность почти в 4.

Если сместиться по экрану, то интенсивности будут изменяться, достигая то максимума, то минимума в зависимости от числа открытых зон и расстояния до точки Р.

Итак, дифракционная картина – система концентрических чередующихся темных и светлых колец.

2.Дифракция от круглого диска Если диск закроет m первых зон, то амплитуда в точке P так как выражения в скобках равны 0.

такая же, как и в отсутствие диска. Дифракционная картина имеет вид чередующихся темных и светлых колец. В центре всегда светлое пятно.

3.4. Дифракция Фраунгофера на щели и дифракционной решетке 1. Дифракция Фраунгофера на щели Ширина щели b.. Воспользуемся методом зон b полученное отношение к четному числу 2m, При наклонном падении под углом условие минимума 2. Дифракционная решетка Дифракционная решетка - спектральный прибор, предназначенный для разложения света в спектр и измерения длин волн.

Она представляет собой плоскую стеклянную или металлическую пластину, на поверхность которой нанесено множество (до сотен тысяч) штрихов. Если ширина щели b, а ширина непрозрачной части a, то a + b = d – период (или штрихов на единицу длины, обычно на 1 мм.

В решетке осуществляется многолучевая инРис 3.2. Дифракция терференция когерентных дифрагированных пучков, исходящих из щелей решетки.

Разность хода между соседними щелями и = 0. В этом случае амплитуда главного максимума А гл. = NA1 и интенсивность Iгл. = N2I. N – число щелей, А1 и I1 – амплитуда и интенсивность от одной щели, соответственно. Тот же результат получится, если разность фаз 2m, т.е. при 2m dSin.

Условие главных максимумов, которые в N2 сильнее максимумов от одной щели.

Это условие определяет направления, по которым волны приходят в фазах и усиливают друг друга.

В направлениях, определяемых условиями где P = 1, 2, 3…(N-1),получаются дифракционные минимумы и I = 0.

Между двумя такими минимумами образуются добавочные максимумы. Между главными максимумами располагаются (N-1) добавочных минимумов и (N-2) добавочных максимумов ничтожно малой амплитуды.

3.5. Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке Дифракция рентгеновских лучей наблюдается на пространственных решетках, представляющих собой кристаллы, т.к. расстоянии между узлами решетки порядка длины волны рентгеновского излучения.

Дифракционные максимумы наблюдаются в направлениях, удовлетворяющих формуле Вульфа-Брэггов:

где d - расстояние между соседними кристаллографическими плоскостями, - угол скольжения

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления от частоты (длины волны) света или зависимость фазовой скорости распространения световых волн от частоты. Следствием дисперсии является разложение белого света при прохождении через призму. Угол отклонения лучей призмой :

где - преломляющий угол призмы. Т. к. п зависит от длины волны, составляющие спектра с разными длинами волн будут отклонятьпризмой ся на разные углы.

Величина называется дисперсией вещества. Она показывает, как быстро меняется показатель преломления с длиной волны. Показатель преломления прозрачных веществ с увеличением длины волны - уменьшается. Такая дисперсия называется нормальной. Вблизи полос поглощения вещества п - увеличивается с увеличением длины волны. Такая дисперсия называется аномальной.

На явлении нормальной дисперсии основана работа призменных спектрографов.

В соответствии с электронной теорией Лоренса дисперсия рассматривается как результат взаимодействия световых волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества, совершающими вынужденные колебания в электромагнитном поле волны.

Из рассмотрения вынужденных колебаний электрона можно получить:

где п0 - концентрация электронов, 0 - цикРис 4.1. Зависимость п от лическая частота собственных колебаний электронов, - циклическая частота световой волны. Видно, что показатель преломления зависит от длины волны. На рис. 4. показана зависимость п от. Область слева от точки А и справа от точки В соответствует нормальной дисперсии, на участке АВ, вблизи собственной частоты колебаний электронов в веществе – аномальная дисперсия.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Поляризованным называют свет, в котором световой вектор E колеблется упорядоченно. В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно друг друга сменяют.

Наиболее общим случаем поляризации является эллиптическая, получаемая при сложении перпендикулярных колебаний одинаковых частот. Конец вектора E описывает эллипс.

1.Если = 0 или, то эллипс превращается в прямую, и свет – плоскополяризованный ( или линейно поляризованный).

2. Если = ± /2 и амплитуды равны, то при сложении получается окружность и свет поляризован по кругу, конец вектора E описывает окружность.

Плоскость, содержащая световой вектор E, это плоскость колебаний, перпендикулярная к ней – плоскость поляризации. Для получения поляризованного света используются поляризаторы. Эти приборы свободно пропускают свет в определенной плоскости, называемой плоскостью поляризации и полностью (или частично) задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости. Если свет задержан частично, то его называют частично поляризованным. Это смесь плоскополяризованного и естественного.

Если на поляризатор подает поляризованный свет, то интенсивность света, прошедшего через поляризатор, выражается законом Малюса:

где – угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора, I0 – интенсивность падающего света, I – интенсивность прошедшего. Если на поляризатор падает естественный свет, то среднее значение сos2 = 1/2, так как все значения равновероятны.

Поставим на пути естественного света последовательно два поляризатора, плоскости которых составляют угол. Второй поляризатор называют анализатором. При прохождении естественного света через поляризатор интенсивность его уменьшится в два раза, на выходе из системы Таким образом, если поляризаторы параллельны, интенсивность естественного света преломлении. Закон Брюстера Поляризованный свет можно получить при отражении его от поверхности диэлектрика. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения; в преломленном – параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения и, если то отраженный луч полностью поляризован. Угол падения при этом называют углом Брюстера, n21 – относительный показатель преломления второй среды к первой. Преломленный луч поляризован частично. При выполнении условия Брюстера угол между отраженным и преломленным лучами равен /2.

распространяющихся с разными турмалин, исландский шпат – луч и необыкновенный (е – луч), который уклоняется от нормали при нормальном падении. Показатель преломления необыкновенного луча изменяется при изменении угла падения.

У одноосных кристаллов существует направление, называемое оптической осью кристалла, вдоль которого оба луча распространяются с одинаковой скоростью.

Плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. о и е – лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях –в е- луче колебания совершаются в плоскости главного сечения, в о – луче – в перпендикулярной.

Если один из этих лучей поглощается сильнее, то это называется дихроизмом. В турмалине, например, обыкновенный луч полностью поглощается на длине 1 мм. В поляроидных пленках (целлулоид, в котором есть большое число одинаково ориентированных кристаллов сульфата йодистого хинина) толщина поглощения примерно 0, мм.

Двойное лучепреломление наблюдается в анизотропных средах. В них относительная диэлектрическая проницаемость зависит от направления, а так как показатель преломления n, то волнам с различными направлениями колебаний вектора E соответствуют различные значения показателя преломления: для о – луча n0 поперечн, для е – луча ne зависит от направления.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ, ОСНОВАНЫЕ НА ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЕ

Электрооптический эффект – изменение показателя преломления некоторых материалов под действием электрического поля. Материалы, обладающие таким свойством, называются электрооптическими. Электрооптические эффекты бывают двух видов: эффект Поккельса и эффект Керра.

При эффекте Поккельса показатель преломления изменяется пропорционально приложенному электрическому полю (наблюдается в кристаллах KDP(KH2PO4), DKDP(KD2PO4), LiNbO3 и др.).

В кристаллических материалах, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, под воздействием внешнего электрического поля возникает двойное лучепреломление.

Разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного колебания пропорциональна первой степени напряженности электрического поля. Это явление называется линейным электрооптическим эффектом (эффектом Поккельса).

При эффекте Керра показатель преломления изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля (нитроглицерин, сероуглерод).

В оптической связи чаще используют эффект Поккельса из-за хорошей линейности и низкого рабочего напряжения. На основе этого эффекта работают модуляторы света.

Электрооптические эффекты применяют также для изготовлений быстродействующих оптических затворов (время срабатывания – единицы нс) – затворы Керра;

для изготовления оптических отклоняющих систем; в оптической памяти, в трехмерных модуляторах; в оптических бистабильных элементах.

Фотоупругий эффект выражается в изменении показателя преломления под действием упругой деформации.

При облучении вещества интенсивным светом (т.е. светом с большой амплитудой) возникают нелинейные оптические эффекты: наряду с обычной поляризацией вещества наблюдается нелинейная поляризация второго порядка (пропорциональна квадрату напряженности электрического поля), вызывающая удвоение частоты излучения, сложение частот двух излучений, параметрическое излучение и другие явления.

Может возникнуть нелинейная поляризация третьего порядка, вызывающая утроение частоты, искажение показателя преломления, вынужденное рамановское рассеяние и др. Остановимся на некоторых из перечисленных явлений.

1. Генерация второй гармоники. При падении на оптический кристалл интенсивного света с частотой возникает вторая гармоника (излучение с частотой 2 ).

2. Параметрическое излучениие. Если нелинейный оптический кристалл поместить в оптический резонатор, образованный зеркалами, и проводить накачку лазерным излучением с частотой, то на выходе будут излучения с частотой 1 и 2, удовлетворяющими условию = 1+2.

3. Многофотонное поглощение. При облучении светом с двумя частотами 1 и 2 на выходе кристалла получается излучение с = 1+2. Это происходит благодаря многофотонному поглощению, когда вместо нескольких поглощенных квантов испускается один с более высокой энергией.

4. Автофокусировка. Показатель преломления обычно не зависит от амплитуды световых волн, но излучение большой амплитуды вызывает его изменение. В результате плоский фронт волны преобразуется в сферический и световой луч в веществе начинает «сходиться». Это явление называют автофокусировкой.

5. Эффект Рамана. Если облучать вещество интенсивным световым пучком, то возникают стоксова и антистоксова линии в спектре (частоты на частоту собственных колебаний молекулы меньше или больше частоты возбуждающих колебаний). Это эффект Рамана или комбинационное рассеяние света. Измеряя частоты линий, можно определить частоты собственных колебаний молекул веществ. При этом используют мощные лазеры.

6. Эффект Мандельштама-Бриллюэна. В результате взаимодействия акустического фонона с оптическим излучением наблюдается рассеяние МандельштамаБриллюэна со смещением на частоту фонона.

В веществах с ярко выраженной нелинейностью можно наблюдать солитон – уединенную волну, устойчиво распространяющуюся внутри рассеивающего вещества с постоянной скоростью.

При прохождении линейно поляризованной волны вдоль оптической оси в некоторых кристаллических материалах наблюдается поворот плоскости поляризации. Это явление называется вращением плоскости поляризации, а материалы - оптически активными. Некоторые оптически неактивные вещества становятся активными при помещении их в магнитное поле. Вращение плоскости поляризации - одно из проявлений магнитооптического эффекта.

Магнитооптический эффект - изменение оптических свойств вещества (отражения, пропускания, поляризации света и др.) в зависимости от его намагниченности или от силы приложенного к нему магнитного поля.

Среди магнитооптических эффектов с применением отражения или пропускания света различают эффект Фарадея и эффект Керра.

Вещества, в которых наблюдается магнитооптический эффект - магнитооптические материалы. К ним относятся магнитные атомы - ферромагнетики, например, CdFe3O12, и цилиндрические магнитные домены - ферриты, например, MnBi, EuO, CdTbFe.

Эффект Фарадея - вращение плоскости поляризации света при прохождении через вещество, находящееся в магнитном поле.

На основе эффекта Фарадея может быть создан оптический модулятор. Эффект Фарадея используют и для создания оптических изоляторов, пропускающих свет только в одном направлении. В этих приборах магнитооптический кристалл поворачивает плоскость поляризации на угол 45о за один проход.

Магнитооптический эффект Керра применяют для считывания информации из памяти на оптических дисках.

Двойное лучепреломление, как указывалось, может возникнуть и при механических напряжениях. Это явление, получившее название фотоупругости, лежит в основе акустооптического эффекта. Акустооптический эффект заключается в изменении показателя преломления вещества под воздействием механических напряжений, вызванных акустической волной. При акустооптическом эффекте механические напряжения, а, следовательно, и показатель преломления изменяется с пространственным периодом, равным длине акустической волны.

Акустооптический эффект – явление дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды (зонах с разными значениями показателя преломления), вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. При этом периодическое чередование неоднородностей среды «работает»

как дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча.

Акустические эффекты бывают двух видов. При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны (при 2L/(n2) 1) происходит дифракция Рамана-Ната.

При высокой частоте и большой ширине фронта (при 2L/(n2) 4) наблюдается дифракция Брэгга. В этих выражениях – длина световой волны, n – показатель преломления среды, – длина ультразвуковой волны в среде, L – длина взаимодействия (ширина фронта).

При дифракции Рамана-Ната возникает несколько дифракционных максимумов; дифракционный угол максимален, когда первоначальное направление светового луча параллельно плоскости ультразвуковой волны. В этом случае дифракционный угол m для m-го максимума m arcsin( m / ).

Кроме дифракции при этом наблюдается доплеровское смещение частоты, равное m, где – частота ультразвука.

Если отношение параметров 2L/(n2) 4 наблюдается дифракция Брега. В этом случае отражается только луч света, составляющий определенный угол с фронтом ультразвуковой волны. Таким образом, свет может отклоняться только на угол от первоначального направления. Этот угол – угол Брега - находят из соотношения:

При дифракции Брега коэффициент отражения отклонившегося луча близок к 100%, что существенно для практического использования. При длине взаимодействия L=1 см наблюдается почти полная Брэгговская дифракция в жидкостях при / МГц, в твердых телах – при /2100 МГц.

Акустооптическое взаимодействие широко используется в технике: акустооптические дифракционные дефлекторы (отклоняющие системы), акустооптические развертывающие устройства (АРУС), акустооптические фильтры, анализаторы спектра радиосигнала, акустооптические модуляторы.

Пьезоэлектрический эффект заключается в электрической поляризации некоторых кристаллических материалов, пьезоэлектриков, при сжатии или растяжении в определенных направлениях. Обратный пьезоэффект заключается в том, что под действием приложенного электрического поля в пьезоэлектрике возникают механические деформации и, как следствие, двойное лучепреломление. Обратный пьезоэффект применяют в пьезопреобразователях, преобразующих электрические колебания в акустические.

Эффект Зеемана заключается в расщеплении под воздействием магнитного поля спектральных линий, излучаемых атомной системой.

Эффект Штарка отличается от эффекта Зеемана лишь тем, что расщепление спектральных линий атомов происходит не в магнитном, а в электрическом поле.

Эффект Доплера заключается в изменении частоты световых волн при движении источника и приемника света относительно друг друга. Его используют в системах измерения скорости.

ОСНОВЫ ГОЛОГРАФИИ

7.1. Понятие голографии. Особенности голографии.

Голография – метод записи и последующего восстановления структуры идущих от объекта световых волн, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных световых пучков.

Голографические изображения можно получать при помощи любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости синхронно работающими вибраторами. Интерференция звуковых волн создает на поверхности жидкости рябь, с которой эту акустическую голограмму восстанавливают лазерным лучом.

Особенности голографии:

Голограмма фиксирует не только интенсивность, но и фазу световой волны, идущей от предмета. Каждый участок голограммы содержит информацию обо всем предмете. На голограмме можно видеть объекты в разных ракурсах.

Голограмма дает объемное изображение. Голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления. Когда голограмму записывают параллельным световым пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально углу расхождения. Если на одну пластинку записать несколько голограмм, используя разные, но не кратные, длины волн, все они могут быть считаны независимо при помощи лазеров с соответствующим излучением.

Таким же образом можно записать и цветное изображение. Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера.

7.2. Запись голограммы плоской волны и восстановление изображения При записи голограммы фотопластинка освещается двумя когерентными волнами: предметной и опорной. В результате интерференции этих волн на пластинке записывается сложный волновой узор. Плотность почернения фотослоя в каждой точке в этом случае будет пропорциональна интенсивности результирующего колебания.

Экспонируя и проявляя фотопластинку, мы фиксируем картину интерференции предметного и опорного колебания, т. е. получаем голограмму, содержащюю всю информацию об амплитуде и фазе предметной волны. Можно показать, что, зафиксированная на фотопластинке голограмма представляет собой решетку с косинусоидальным распределением пропускания Для восстановления изображения надо направить на голограмму по пути опорного колебания свет с плоским волновым фронтом.Из-за дифракции восстанавливающей волны на записанной интерференционной картине за голограммой возникает световое поле, образуемое тремя колебаниями: ослабленной восстанавливающей волной (дифракционный максимум 0-го порядка); плоской волной, распространяющейся под углом + к горизонтальной оси Z (дифракционный максимум +1-го порядка). плоской волной, распространяющейся под углом – к оси Z (дифракционный максимум -1-го порядка). Второе колебание – копия предметной волны.

7.3. Запись голограммы точечного объекта и Л2 лазерный пучок направляется одновременно на предмет П и зеркало 3. Волна, отраженная предметом, сферическая, а отраженная зеркалом – плоская. На поверхности фотопластинки предметная и опорная волна – интерферируют.

При этом в местах наложения колебаний с одинаковой фазой амплитуда результирующего колебания максимальна, а в местах, где фазы противоположны, — минимальна. Интерференционная картина представляет собой систему концентрических темных и светлых колец.Такая система колец называется зонной решеткой Френеля.

Для восстановления изображения надо осветить голограмму опорной волной.

Каждый малый участок голограммы – синусоидальная решетка, разлагающая пучок на углом k к горизонтальной оси.

Угол k определяется из sin k / rk, где rk постоянная решетки. Углы k центра голограммы к краям.

Лучи +1-го порядка образуют Рис. 7.2. Восстановление изображения товолну, сходящуюся в точку, а - чечного объекта 1-го порядка – расходящуюся из точки.

тельно, x = a при всех значениях k.

Если объект представляет собой совокупность точек, зрительный образ, создаваемый мнимым изображением объекта, ничем не отличается от самого объекта. Мнимое изображение ортоскопично, его можно сфотографировать.

Действительное изображение псевдоскопично, увидеть его невооруженным глазом трудно, но его можно получить на матовом стекле или сфотографировать.

Цифровая голограмма – голограмма, полученная расчетным путем с помощью ЭВМ. С использованием цифровой голограммы можно получить волновой фронт «идущий» от физически не существующего объекта. Можно представить наглядно результаты моделирования какой-либо конструкции. Создаваемый цифровой голограммой волновой фронт можно использовать в качестве интерференционного эталона сложной оптической поверхности при контроле процесса ее изготовления. Важная область применения цифровых голограмм – изготовление специальных фильтров с заданной функцией для пространственной фильтрации изображений (рассмотрим позднее).

Для получения голографических изображений высокого качества используют двулучевую схему, предложенную Э. Лейтом и Ю. Упатниексом (рис. 7.3, а). Источником излучения служит лазер. Узкий световой пучок лазера с помощью линз Л1 и Л преобразуется в широкий пучок с плоским волновым фронтом. Часть этого пучка отражается о полупрозрачного зеркала 3 и освещает голографируемый предмет П. Прошедший пучок служит опорным. Картина интерференции отраженного предметом и опорного пучка регистрируется на фотопластинке.

После экспонирования фотопластинку проявляют и фиксируют, а иногда и отбеливают.

Рис. 7.3. Двухлучевая схема Э. Лейта и Ю. Упатниекса: а – запись помещаголограммы, б - восстановление записанного изображения объекта ют на место фото- пластинки и освещают лазером (рис. 9.6, б). При этом формируется два разнесенных в пространстве изображения – действительное П' и мнимое П". Мнимое изображение абсолютно подобно реальному объекту, т. е. ортоскопично.

Для записи голограмм используют и другие схемы.

7.6 Толстослойная голограмма и ее отличительные особенности Если толщина светочувствительного слоя много меньше пространственного периода (расстояния между полосами) регистрируемой на голограмме интерференционной картины, такие голограммы называются плоскими или тонкослойными. Если толщина слоя регистрирующей среды значительно больше периода записываемой интерференционной картины, то получается трехмерная, или толстослойная голограмма.

Разность хода колебаний, отражаемых соседними зеркальными поверхностями равна, т.е. они синфазны (находятся в одной фазе и усиливают друг друга). Если осветить голограмму излучением другой длины волны (не кратной ), то усиления не будет, так как условие синфазности нарушается. Отсюда следует, что объемная голограмма избирательна к длине волны восстанавливающего излучения. Поэтому при восстановлении изображений, записанных на объемных голограммах, можно использовать источники сплошного спектра (Солнце, лампа накаливания), поскольку в сплошном спектре содержится излучение всех длин волн, в том числе и той длины волны, на которой производилась запись, и при этом будет восстанавливаться изображение. Это свойств объемных голограмм существенно отличает их от тонкослойных и является несомненным преимуществом.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С КОРПУСКУЛЯРНОЙ

ПРИРОДОЙ СВЕТА

ТЕПЛОВОЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕТА

8.1. Понятие теплового излучения, его особенности Свечение тел, обусловленное их нагреванием, называется тепловым. Оно существует при любых температурах, и, единственное из всех излучений, является равновесным.

Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела во всех направлениях ( в пределах телесного угла 4) называют энергетической светимостью (излучательностью) Тепловое излучение состоит из волн различных частот. Поток энергии пропорционален интервалу частот. количественной характеристикой служит спектральная плотность энергетической светимости:

Интегральная энергетическая светимость:

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью:

Тело, способное поглощать все падающее на него излучение любой частоты, называется абсолютно черным. AfT 1.

Если A fT const 1, то это серое тело, поглощательная способность одинакова для всех частот.

1. Закон Кирхгофа:

Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способностей не зависит от природы тел, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты ( длины волны) и температуры.

rfT – универсальная функция Кирхгофа. Она равна спектральной плотности энергетической светимости черного тела. Энергетическую светимость черного тела можно записать:

2. Закон Стефана–Больцмана = 5, 7·10 -8Вт/м2 град4 – постоянная Стефана – Больцмана, установлена экспериментально.

3. Закон смещения Вина Экспериментальное значение константы b равно b = 2,90 10 -3м·К. При повышении температуры максимум излучения смещается в сторону коротких волн, при этом лучеиспускательная способность возрастает во всех участках спектра, но в разной степени 4. Формула Рэлея–Джинса Она хорошо согласуется с экспериментальными данными в области малых частот и больших температур. В области коротких волн наблюдается резкое несоответствие опыту, получившее название ультрафиолетовой катастрофы.

5. Закон излучения Вина Закон излучения Вини согласуется с экспериментом в области больших частот.

6. Формула Планка В1900 г. М Планк выдвинул гипотезу о том, что атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а квантами hf .

В предельном случае длинных волн формула Планка переходит в формулу Рэлея.

В противоположном случае коротких волн также согласуется с экспериментом (закон излучения Вина). Используя формулу Планка, можно получить также закон Стефана– Больцмана.

8.3. Люминесцентное излучение света (спонтанное и вынужденное) Если к p-n-переходу полупроводника приложить напряжение смещения в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. Если количество добавляемой извне энергии значительно, то часть электронов, сконцентрированных в валентной зоне, переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут перемещаться внутри полупроводника. При этом в зоне валентных электронов на освобождающихся местах возникают положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике.

При инжекции электрона в зону проводимости полупроводника этот электрон спустя некоторое время (время жизни) рекомбинирует с дыркой в валентной зоне и переходит из зоны проводимости в валентную с излучением фотона. Этот процесс называется спонтанным (или рекомбинационным) излучением света, а время, необходимое для излучения света, называется временем рекомбинации (временем жизни спонтанного излучения). Такое излучение возникает в светодиодах.

Частота f определяется разностью энергетических уровней Eg= Ec- E, то есть шириной запрещенной энергетической зоны (частотное условие Бора):

где c - скорость света в вакууме; - длина волны; Eg и h - энергия и постоянная Планка.

Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Но так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью, широкой диаграммой направленности, низкой интенсивностью, является некогерентным. Таким образом, для работы светодиода требуется активная среда и система накачки. Накачка осуществляется инжекционными токами.

При электронном переходе выполняются законы сохранения энергии и импульса. Так как импульс фотона мал по сравнению с импульсом электрона, импульс электрона при переходе не меняется, следовательно, не меняется волновое число k.

Обычно в полупроводниках (рис. 2.2, а) потолок валентной зоны соответствует нулевому значению k, поэтому электронные междузонные переходы происходят в основном с участием состояний этой части зоны.

Существуют полупроводники с прямыми переходами – потолок валентной зоны совпадает с дном зоны проводимости.

В полупроводниках с прямыми переходами вероятность перехода велика, поэтому время существования спонтанного излучения мало (несколько нс). Это позволяет с высокой скоростью менять интенсивность света. Светоизлучающие диоды и полупроводниковые лазеры на их основе служат источниками излучения в системах связи (пример такого полупроводника - арсенид галлия).

В полупроводниках с непрямыми переходами потолок валентной зоны не совпадает с дном зоны проводимости.

В полупроводниках с непрямыми переходами происходит двухступенчатый непрямой переход. Сначала электронный переход осуществляется через виртуальный энергетический уровень и при сохранении импульса происходит излучение фотона. Затем излучается фотон, уносящий избыточный импульс, и происходит переход к потолку валентной зоны. Вероятность непрямых переходов мала, время существования спонтанного излучения велико (десятки - сотни мкс). Скорость временных изменений интенсивности света обратно пропорциональна времени жизни носителей, поэтому такие полупроводники используют в индикаторных светодиодах (где допускается инерционность). Примером полупроводника с непрямыми переходами является кремний, применяемый в транзисторах.

В соответствии с законами квантовой механики в структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс, так называемое индуцированное (вынужденное) излучение. Остановимся на этом явлении.

В состоянии теплового равновесия электроны находятся на нижних уровнях в валентной зоне. Путем какого-нибудь возбуждения можно осуществить инверсию состояния, инверсную населенность (увеличить число электронов на верхних уровнях).

Как уже отмечалось, такая среда называется активной. Из этого состояния под действием излучения с энергией, равной Eg, электроны «упадут» на нижние уровни, а их энергия перейдет в излучение с длинной волны и фазой возбуждающего излучения, усиливая его. Это – вынужденное излучение.

Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости, падает свет с частотой f 0, то возникает излучение с частотой f и направлением падающего света. Причем первичный и вторичный фотон обладают одинаковыми квантово-механическими харак-теристиками. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение. При вынужденном излучении происходит усиление излучения средой (лавинообразное нарастание потока фотонов).

Вынужденное излучение характеризуется высокой монохроматичностью, узкой направленностью, высокой интенсивностью и является когерентным.

Для получения индуцированного излучения требуется активная среда, система накачки и система усиления.

ФОТОЭФФЕКТ, ЭФФЕКТ КОМПТОНА

При попадании света внутрь вещества происходит его поглощение. Поглощение приводит к увеличению энергии электронов вещества и изменению их состояния.

В металлах происходит в основном увеличение кинетической энергии свободных электронов, в полупроводниках и диэлектриках во многих случаях наблюдается переход электронов в другое энергетическое состояние.

Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов под действием света. Открыт Герцем в1887 г, исследован Столетовым. Столетов открыл три закона внешнего фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности катода в единицу времени пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света, ниже которой он невозможен.

9.3. Уравнение Эйнштейна. Красная граница фотоэффекта Эйнштейн выдвинул квантовую теорию фотоэффекта. Свет не только испускается, но и распространяется и поглощается квантами. Каждый квант поглощается одним электроном. Эйнштейн получил уравнение, объясняющее все закономерности фотоэффекта:

Если частота уменьшается, то скорость становится меньше и, наконец, при V = Здесь А - работа выхода электронов из металла, fk именуют красной границей фотоэффекта. Наибольшая длина волны света, при которой фотоэффект прекращается – это и есть красная граница.

В полупроводниках и диэлектриках наблюдается внутренний фотоэффект, заключающийся в перераспределении электронов по энергетическим уровням. Если энергия фотона больше ширины запрещенной зоны Е, то электрон переходит в зону проводимости, на его месте образуется «дырка», таким образом, возникает пара носителей заряда.

Для внутреннего фотоэффекта справедливо выражение hf E.

В донорных полупроводниках под действием света электроны переходят с примесного уровня в зону проводимости, при этом появляется проводимость п-типа. Выполняется условие hf E D.

В акцепторных полупроводниках под действием света электроны переходят из валентной зоны на примесной уровень, при этом в валентной зоне появляются «дырки», т.е. возникает проводимость р-тапа. Выполняется условие hf E A.

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего и наблюдается в области р-п-перехода полупроводниковых диодов.

В 1923 г. А. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянном излучении наряду с первичными лучами присутствуют лучи большей длины волны, причем разность длин волн = ' – не зависит от природы вещества и длины волны первичного излучения.

Экспериментально установлено где - угол между направлением рассеянного излучения и направлением первичного пучка; 0= 0, 0242 ·10 -10м – комптоновская длина волны.

В эффекте Комптона проявляется квантовая природа света. Рассеяние можно представить как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными (или почти свободными) электронами.

ПОСТРОЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

Оптоэлектронные системы включают источник излучения, приемник излучения, оптические системы, фокусирующие излучение источников, электронные элементы, преобразующие сигналы, вырабатываемые приемником. Кроме того, в состав ОЭС могут входить: модулятор, дефлектор, фильтры, элементы отображения и записи информации и др.

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

10.1. Естественные и искусственные источники излучения Все источники излучения можно подразделить на естественные и искусственные.

Естественными источниками являются все объекты, изучаемые с помощью оптоэлектронных приборов пассивного типа (по такой схеме работают радиометры, приборы самонаведения, слежения и др.) К таким источникам излучения можно отнести промышленные здания и установки, машины, тела людей и животных и т.п. К естественным источникам относятся солнце, луна, звезды, земная атмосфера и т.п. У всех этих источников излучение тепловое.

Искусственные источники – источники, параметрами которых можно управлять.

Их используют в осветителях оптоэлектронных приборов активного типа: в приборах связи, передачи и обработки информации, в различных приборах для научных исследований. К искусственным источникам относятся газоразрядные и дуговые лампы, светодиоды и люминесцентные излучатели, оптические квантовые генераторы (лазеры), некоторые типы тепловых источников.

К тепловым источникам относятся:

1. Лампы накаливания (обладают сравнительно низким КПД и большой инерционностью). Основной недостаток ламп накаливания – большая тепловая инерция (невозможность электрической модуляции).

2. Светоизмерительные лампы (тело накала - в виде плоской ленты, имеется окно из увиолевого стекла, прозрачного в УФ области, или из сапфира, прозрачного в ИК-области).

3. Галогеновые лампы.

4. Газоразрядные источники света (свободны от недостатка, присущего лампам накаливания) – излучающая среда - газ или пары металлов; при прохождении тока возникает разряд. Могут давать как непрерывное, так и импульсное излучение.

Светоизлучающий полупроводниковый диод (или кратко - светодиод) является одним из основных источников излучения в оптоэлектронике. Он представляет собой включенный в прямом направлении p-n-переход, в котором происходит рекомбинация электронов и дырок. Внешнее напряжение понижает потенциальный барьер на границе p- и n-областей и создает условия для инжекции электронов в р-область и дырок в nобласть.

Для получения видимого излучения с = 0,38..0,78 мкм полупроводник должен иметь Eg = 1,58…3,24 эВ. Светодиоды изготавливают из GaP, SiC, GaAlAs, GaAsP, GaN. Существуют светодиоды, цвет которых можно менять. В таких СИД - два светоизлучающих перехода, один из которых имеет максимум в красной части спектра, а другой - в зеленой. Цвет свечения зависит от соотношения токов через переходы. Светодиоды из GaAs излучают в ИК-области (добавки In, P, Sb). Внесение в полупроводник различных примесей позволяет получить излучение различного цвета.

Светоизлучающие диоды по назначению подразделяются на СИД, используемые в оптической связи, индикаторные и большой излучаемой мощности.

В настоящее время для оптической связи разработаны два основных типа светодиодов: с поверхностным излучение и торцевого типа (рис. 4.5, 4.6).

Так как квантовый выход диодов, излучающих инфракрасный свет, значительно выше выхода диодов, излучающих в видимой области, существует возможность использования инфракрасных диодов для получения видимого излучения с помощью так называемых антистоксовых люминофоров. В качестве антистоксовых люминофоров используют фториды, оксисульфиды лантана и другие соединения, активированные интербием и эрбием.

10.4. Источники света с электролюминофорами (электролюминесцентные ячейки, Светодиоды являются почти точечными источниками света (площадь излучаемой поверхности не превышает 1 мм2). В ряде случаев требуются электролюминесцентные источники света большой площади, которые могут быть получены с помощью слоев порошкообразных люминофоров толщиной около 50 мкм или пленок толщиной около 1 мкм. В качестве люминесцирующего вещества обычно используют сульфид цинка (ширина запрещенной зоны 3,7 эВ), позволяющий получать люминесценцию в видимой области при введении примесей, например меди (зеленое излучение), серебра (синее) и марганца (желто-оранжевое).

К электролюминесцентным источникам света относятся электролюминесцентные ячейки и электролюминесцентные конденсаторы. Электролюминесцентные ячейки применяются только в индикаторных панелях.

10.5. Лазеры (оптические квантовые генераторы) Для получения индуцированного (вынужденного) излучения требуется активная среда, система накачки и система усиления.

Активная среда в лазерах может быть: твердой, жидкой, газообразной; полупроводниковой (p-n - переход). Соответственно, по типу активной среды лазеры делятся на твердотельные (на кристалле рубина с примесью 3-х валентного хрома Al2O3:Cr3+, на стекле с примесью 3-х валентного неодима Nd3+, на кристалле иттриево-алюминиевого граната с примесью неодима Y3Al3O12:Nd3+), газовые (гелий-неоновые, на углекислом газе и т.д.), жидкостные (на органических красителях), полупроводниковые (активная среда – p-n – переход).

Способы накачки также разнообразны: химические, оптические, инжекционные токи и другие.

Положительная обратная связь бывает двух типов: дискретная и распределенная. В первом случае она осуществляется оптическим резонатором, состоящим из зеркал или призм и находящемся вне лазерной среды. В твердотельных и полупроводниковых лазерах роль зеркал выполняют полированные противоположные грани кристалла. Во втором случае - за счет полного внутреннего отражения, возникающего в лазерной среде при периодическом изменении ее показателя преломления (вдоль направления распространения света).

Рассмотрим действие резонатора, состоящего из 2-х параллельных плоских зеркал, одно из которых полупрозрачное (резонатор Фабри – Перо). Излучение возбужденных атомов активной среды многократно проходит между зеркалами резонатора. В результате в резонаторе формируется электромагнитное поле, представляющее собой набор стоячих волн. Из многих волн, возникающих в активной среде, усиливаться будут лишь те, длина волны которых на удвоенной длине резонатора (прямой и обратный проход) укладывается целое число раз. В этом случае прямая и обратная волна будут усиливаться в результате интерференции.

Длина волны n находится из условия существования стоячих волн:

где L - длина резонатора; n - коэффициент преломления среды; Nz - число пересечений оси z резонатора кривой распределения электрического поля моды.

Длина n стоячей волны определяет тип колебаний резонатора (или моду). В резонаторе одновременно может возбуждаться много мод. Работу в узком диапазоне частот можно обеспечить, помещая внутрь резонатора селективный элемент, выделяющий одну из мод. Таким образом, лазер является устройством, позволяющим сосредотачивать всю энергию излучения в конечном числе мод.

Оптический резонатор формирует и волновой фронт излучения. В результате многократного прохождения между зеркалами усиливаться будут только волны, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Эти волны вовлекают в процесс излучения частицы, расположенные на их пути. Поэтому излучение выходит из резонатора почти параллельным пучком, т.е. имеет почти плоский волновой фронт (является узконаправленным). Волны, распространяющиеся под углом к оси, не доходят до зеркал и покидают активную среду, не получив усиления. Линейный угол расходимости лазерного луча определяется лишь дифракцией на зеркалах и находится из выражения:

где D – диаметр пучка внутри резонатора.

Благодаря малой угловой расходимости лазерного излучения оно может быть сфокусировано на очень малой площади, линейный размер которой.

Лазерный эффект возникает, если общие потери в структуре с обратной связью меньше, чем усиление.

Для возникновения колебаний в лазере надо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, необходимую для компенсации потерь в резонаторе и усиления оптического излучения. Минимальный необходимый для генерации коэффициент усиления Smin или так называемый пороговый коэффициент усиления, уравновешивающий потери, выражается как:

Достоинства лазерного излучения: высокая монохроматичность, высокий уровень выходной мощности, хорошая синфазность, высокая когерентность, малая угловая расходимость.

Лазеры классифицируют по длине волны излучения (рентгеновские, ультрафиолетовые, видимого диапазона, ближнего и дальнего ИК-излучения).

Лазеры могут быть непрерывного действия или импульсными (длительность 10с). С помощью оптической системы возможна дополнительная фокусировка, а, следовательно, получение очень высокой плотности потока. Рассмотрим такой пример:

пусть лазер излучает энергию 1 Дж импульсом 10-8 с, при этом мощность составляет 108 Вт. Если сфокусировать это излучение на пятно диаметром 0,1мм, то плотность потока будет 108 Вт/10-4 см2 = 1012 Вт/см2. Для сравнения, если на металл попадает поток излучения плотностью 105 Вт/см2 начинается плавление, при 107 Вт/см2 – кипение, при 109 Вт/см2 – ионизация паров вещества.

ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Задача приемника – преобразование оптического излучения в другие виды энергии, удобные для регистрации с помощью различных электронных систем.

По виду энергии, в которое преобразуется оптическое излучение, приемники делятся на тепловые, фотоэлектрические, люминесцентные, фотохимические.

Энергия оптического излучения в тепловых приемниках преобразуется в тепловую. Их принцип действия заключается в измерении избыточной температуры, которую приобретает приемная поверхность или некоторый объем датчика за счет поглощения лучевой энергии. Тепловые детекторы широко используются, как датчики ИКизлучения объектов в аппаратуре обнаружения, дистанционного измерения температуры, наблюдения за астрофизическими объектами, при калибровке различных датчиков в качестве эталонных приемников, в спектральной аппаратуре ИК-диапазона, для интегральных измерений солнечного излучения, собственного излучения атмосферы, земной и водной поверхности. Общим для конструкции большинства приемников является наличие приемной площадки, покрытой слоем вещества с высокой поглощающей способностью, теплоизолированной от массивного корпуса. В зависимости от способа измерения избыточной температуры тепловые приемники подразделяются на термоэлектрические, болометрические и оптико-акустические.

В термоэлементе используются термоэлектрический эффект Зеебека (при нагреве двух разнородных спаянных проводников возникает термо-ЭДС, вызывающая в цепи электрический ток).

где - удельная термо-ЭДС, которая определяется типом материалов, образующих термопару (для металлов и их сплавов = 1..10 мкВ/К; для полупроводников = 10..1000 мкВ/К).

В болометре изменение температуры приемного элемента вызывает изменение его электрического сопротивления. С помощью металлических болометров можно фиксировать изменение температуры приемного элемента на 10-7 К (в качестве материалов используются платина, никель, висмут, сурьма). Полупроводниковые болометры (терморезисторы) выполняют из оксидов никеля, кобальта, марганца, из пленок германия и кремния. Смесь оксидов наносят на стеклянную подложку или прессуют в виде таблетки. Наиболее чувствительный полупроводниковый болометр из тонкослойного германия с примесью галлия.

В пироэлектрических приемниках ивпользуется пироэлектрический эффект. Пироприемники удобны тем, что не требуют внешнего источника питания. С их помощью можно регистрировать изменение температуры 10-7..10-8 К.

В оптико-акустических приемниках измерение температуры приемной поверхности (одна из стенок газовой камеры) приводит к изменению температуры объема газа и прогибу мембраны (вторая стенка газовой камеры).

Тепловые приемники - неселективные (имеют постоянную чувствительность в широком спектральном диапазоне).

В фотоэлектрических приемниках энергия оптического излучения преобразуется в энергию свободных электронов (внешний, внутренний фотоэффект).

Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) К фотоэлектронным приемникам относятся фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Рассмотрим работу этих устройств.

Фотоэлемент представляет собой диод, содержащий фотокатод и анод. При падении на фотокатод светового потока и подаче на анод положительного потенциала, вылетающие с катода фотоэлектроны движутся к аноду, и во внешней цепи фотоэлемента возникает ток. Такие фотоэлементы используют, например, в киноаппаратуре, в фототелеграфии, в системах автоматики, в контрольно-измерительных устройствах.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) показан на рис. 5.3. В нем для усиления фототока использовано явление вторичной электронной эмиссии. ФЭУ служат для регистрации очень малых световых потоков.

К фотоэлектронным приемникам относятся электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Их используют для преобразования невидимого излучения (ИК, УФ, рентгеновского) в видимое, для усиления яркости изображения, для регистрации быстропротекающих процессов.

Внутренний фотоэффект Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) реализуется в различных полупроводниковых приемниках оптического излучения.

К полупроводниковым приемникам относятся фоторезисторы, фотоэлементы с запорным слоем, фотодиоды, биполярные фототранзисторы и фототиристоры, матрицы фотоприемников. Остановимся подробнее на отдельных видах фотоприемников.

Фоторезисторы. При освещении однородного полупроводника его электропроводность увеличивается. Это явление называют фотопроводимостью, а соответствующий прибор - фоторезистором.

Фоторезисторы изготавливают из беспримесных и примесных полупроводников.

Они могут иметь в качестве чувствительного элемента монокристалл полупроводника, пленку полупроводника на диэлектрике или таблетку прессованного порошкообразного материала. Последний способ применяют, например, при изготовлении промышленных фоторезисторов из сульфида или селенида кадмия.

Работают фоторезисторы от рентгеновской и УФ- до дальней ИК-области спектра. Область спектральной чувствительности определяется материалом. Фоторезисторы широко применяется в оптоэлектронных приборах. На их основе выпускаются оптронные элементы (заключенные в одном корпусе светодиод и приемник излучения).

Оптроны используются в радиоэлектронной аппаратуре в качестве активных элементов, для связи отдельных частей электронных устройств в вычислительной и измерительной технике, в автоматике.

Фотогальванические элементы (фотоэлементы с запорным слоем) – приемники, в которых под действием подающего излучения возникает фото-ЭДС. Они выполняются на основе полупроводниковых структур с p-n переходом. Могут работать в 2-х режимах: фотовольтаическом (источник внешнего напряжения отсутствует) и фотодиодном.

В фотовольтаическом режиме работает фотоэлемент с запорным слоем. При падении света на p-n переход и прилегающие области возникают дополнительные пары носителей. Они движутся к переходу, попадают под действие электрического поля перехода.

Для неосновных носителей поле перехода - ускоряющее. Для основных – тормозящее, поэтому в p- и n- области накапливаются избыточные основные носители. При этом возникает фото-ЭДС. С увеличением светового потока – фото-ЭДС растет не линейно.

Первые такие элементы выполняли из закиси меди. В настоящее время широко применяются селеновые фотоэлементы; серноталлиевые, кремневые.

Фото-ЭДС таких фотоэлементов составляет несколько десятых долей вольта, поэтому их часто соединяют последовательно для получения напряжения в несколько вольт (солнечные батареи для космических аппаратов и других целей).

Фотодиодный режим Если к чувствительному элементу приемника излучения с запорным слоем приложить обратное напряжение,, то возникает фототок, образованный неосновными носителями. По направлению он совпадает с обратным током p-n-перехода. Такой режим работы фотоприемника – фотодиодный.

Особенность фотодиодов – высокое быстродействие (могут работать на частотах до МГц). Обычно изготавливаться из кремния или германия. В настоящее время разработано несколько разновидностей фотодиодов.

Различают фотодиоды с p-n-переходом, p-i-n – фотодиоды, лавинные фотодиоыд (ЛФД), фотодиоды с поверхностными барьерами, гетерофотодиоды. В технике оптической связи широко используют, p-i-n – ФД и ЛФД.

В фототранзисторах, фототиристорах возникающий при освещении фотодиода фототок усиливается за счет использования структур, содержащих несколько p-n – переходов. Такие структуры широко применяются в качестве элементов различных оптоволоконных устройств.

Многоэлементные фотоприемники (матрицы фотоприемников) при небольших размерах (около 10 мм) содержат несколько тысяч элементов. Многоэлементные фотоприемники позволяют анализировать оптическое изображение, т.к. они реагируют не только на яркость, но и на пространственные характеристики объекта, т.е. позволяют создавать его зрительный образ. Фотоприемные матрицы могут быть построены на основе большого числа фоторезистивных, фотодиодных, фототранзисторных элементов.

11.4. Люминесцентные и фотохимические приемники Люминесцентные приемники излучения преобразуют излучение одного спектрального состава в излучение другого спектрального состава (например, ИКизображения в видимое).

Фотохимические приемники – энергия падающего излучения вызывает различные химические превращения (Примеры: человеческий глаз, фотопленка).

ОПТРОНЫ

Оптрон - это прибор, содержащий источник и приемник излучения, которые оптически и конструктивно связаны друг с другом. Источниками света могут служить лампы накаливания, неоновые лампы, электролюминесцентные панели, однако в большинстве случаев ими являются светодиоды. В качестве приемника излучения используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Средой оптического канала, связывающего излучатель и приемник, могут служить воздух, стекло, пластмасса и другие прозрачные вещества.

Элементарный оптрон, содержащий один источник и один приемник излучения, называют также оптопарой. Оптроны, объединенные в микросхему с одним или несколькими согласующими или усиливающими устройствами, образуют оптоэлектронную интегральную микросхему.

В оптронах происходит двойное преобразование энергии. Среда оптического канала может быть управляемой (например, обладать электрооптическими свойствами).

Для согласования параметров оптронов с другими элементами электронных схем могут использоваться дополнительные входные и выходные устройства.

Оптроны могут использоваться в качестве элементов гальванической развязки.

Однако введение электрической, а также оптической обратной связи между компонентами оптрона способно существенно расширить его возможности. В этом случае он может быть использован как прибор, позволяющий генерировать и усиливать электрические и оптические сигналы, как запоминающее устройство и т. д. Оптрон характеризуется: высокой помехозащищенностью (поскольку его оптический канал невосприимчив к воздействию посторонних электромагнитных полей), а также однонаправленностью передачи оптического сигнала; широкой частотной полосой пропускания, в частности способностью преобразовывать и передавать не только импульсные сигналы, но и постоянную составляющую; совместимостью с другими изделиями полупроводниковой микроэлектроники.

К недостаткам относятся их низкий КПД, чувствительность к изменению температуры, относительно высокий уровень собственных шумов оптронов. Кроме того, оптроны изготавливают по гибридной технологии, при этом значительную сложность представляет точное совмещение разнородных элементов (излучатель и фотоприемник) в одном устройстве.

Резисторные оптопары. В качестве фотоприемников оптопар этого типа используют фоторезисторы на основе CdS и CdSe. Фоторезисторы обладают, как правило, большой инерционностью. Именно поэтому в фоторезисторных оптопарах в качестве источников излучения широко применяют миниатюрные лампы накаливания, к достоинствам которых следует отнести хорошую воспроизводимость параметров, большой срок службы, малую стоимость. Достоинствами резисторных оптопар являются линейность и симметричность выходной характеристики (независимость от полярности включения фоторезистора), отсутствие фото-ЭДС, высокое значение достижимого напряжения на выходе (до 250 В) и темнового сопротивления (106…1011 Ом).

Диодные оптопары. Оптопары этого типа изготавливают на основе кремниевых pi-n-фотодиодов и арсенид-галлиевых светодиодов. Диодные оптопары могут работать в вентильном режиме, когда оптрон выступает в качестве источника питания. Среди выпускаемых диодных оптопар можно выделить группу приборов, оптический канал которых выполнен в виде световода длиной 30... 100 мм. Эти приборы характеризуются высокой электрической прочностью (Uиз = 20...50 кВ) и малой проходной емкостью (Спр = 0,01 пФ).

К транзисторным оптопарам относятся диодно-транзисторные (приемником излучения является фотодиод, один из выводов которого соединен с базой транзистора, введенного в состав оптрона) и транзисторные (приемником излучения служит фототранзистор) оптопары, a также оптроны с составным фототранзистором. Их параметры существенно отличаются друг от друга. Материалом фотоприемников чаще всего является кремний; излучателями в таких приборах служат арсенид-галлиевые светодиоды.

Транзисторные оптопары позволяют управлять коллекторным током, как оптическими, так и электрическими методами, получать высокие значения коэффициента передачи по току и соответственно большие токи (чем выгодно отличаются от диодных оптопар) при удовлетворительном быстродействии.

Тиристорные оптопары используют в качестве ключей для коммутации сильноточных и высоковольтных цепей как радиоэлектронного (U1 = 50...600 В, 11 = 0,1... А), так и электротехнического (U2 = 100...1300 В, 12 = 6,3...320 А) назначения. Важным достоинством этих приборов является то, что, управляя значительными мощностями в нагрузке, они по входу совместимы с интегральными микросхемами.

Кроме рассмотренных типов оптопар, следует упомянуть также о некоторых других видах оптронов. К ним можно отнести приборы, у которых в качестве фотоприемников используют МДП-фотоварикапы и полевые фототранзисторы, дифференциальные оптроны (один излучатель работает на два идентичных фотоприемника).

Оптроны применяются:

в цифровых и линейных схемах, благодаря возможности их быстрого переключения из одного состояния в другое, для бесконтактного управления в высоковольтных (до 1300 В) и сильноточных (до 320 А) цепях;

для получения информации оптическим методом;

в качестве бистабильных элементов в переключателях, усилителеях, генераторах оптических и электрических колебаний и т. д.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ЛПТОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СО

СВЕРХКОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ

Короткие импульсы требуются во многих областях науки и техники. С их помощью можно изучать быстропротекающие процессы, создавать точных систем измерения времени или длины. Кроме того, мощность светового импульса равна энергии, деленной на длительность импульса. "Сжимая" импульс в сотни и тысячи раз, получают соответствующий рост его мощности.

Импульсы длительностью в десятки наносекунд излучали твердотельные лазеры с оптической накачкой при работе в так называемом режиме модуляции добротности резонатора.

Резонатор, как и любая колебательная система, имеет характеристику, называемую добротностью Q. Она показывает, насколько велики потери P в системе, получившей энергию W: Q ~ W/P. Добротность оптических резонаторов очень велика - до 107. Но если во время поступления энергии в среду одно зеркало перекрыть затвором, добротность резонатора упадет до нуля, и энергия станет накапливаться в активной среде. Когда ее количество приближается к максимально возможной величине, затвор очень быстро открывается, и вся запасенная энергия высвобождается в виде короткого и мощного импульса излучения. Такие импульсы получили название "гигантских", а способ их получения - режим модуляции добротности.

Первые затворы для генерации гигантского импульса были механическими. Заднее зеркало (его роль часто играла призма полного внутреннего отражения) быстро вращалось, и только в моменты, когда оно оказывалось строго параллельным переднему, неподвижному зеркалу, возникала генерация. Механический затвор не позволял получать импульсы короче 10-4 с, был технически неудобен.

Метод прожигания или взрывающейся пленки: между активной средой и задним зеркалом помещали алюминиевую фольгу толщиной 0,25 микрона, которая взрывалась под действием электрического импульса (активный затвор) или энергии излучения активной среды (пассивный). Этот способ модуляции добротности позволял получать импульс длительностью до одной десятой микросекунды (10-7с).

Оптические затворы не имеют подвижных частей; ими управляют короткие электрические или акустические импульсы, переключающие их за 10-9-10-10 с, позволяя получать световые вспышки наносекундной длительности. Называют их соответственно электрооптическими и акустооптическими.

Фототропные затворы не требуют и управляющего сигнала. Их действие основано на свойстве некоторых веществ увеличивать прозрачность с ростом интенсивности падающего излучения. Это наиболее простой вариант затвора: достаточно лишь поместить внутрь резонатора кювету с просветляющейся жидкостью. После вспышки жидкость сама возвращается в непросветленное состояние и "ждет" очередного импульса.

Обычно в оптическом резонаторе лазера возбуждается очень много мод. Однако фазы этих мод принимают произвольные значения, и для генерации сверхкоротких импульсов приходится все их синхронизировать. При этом возникает интерференция, приводящая к резкому перераспределению энергии в лазерном излучении. В результате формируются последовательности сверхкоротких импульсов исключительно большой мощности. Длительность каждого импульса обратно пропорциональна числу синхронизированных мод, а мощность прямо пропорциональна его квадрату.

Этот режим осуществляется теми же средствами, что и режим модуляции добротности (в резонатор лазера помещается электрооптический или фототропный затвор), но действуют они иначе. На электрооптический затвор подается не короткий перепад напряжения (который открывал затвор при режиме модуляции добротности), а периодический сигнал, обычно синусоидальной формы, с частотой, равной с/2L, а использование фототропного затвора (просветляющегося фильтра) по-прежнему не требует управляющего сигнала. Метод с использованием электрооптического (или акустооптического) затвора называют активной синхронизацией мод, а с использованием просветляющегося фильтра - пассивной синхронизацией. При активной синхронизации мод затвор работает в режиме модулятора с частотой с/2L. При пассивной синхронизации действует другой механизм, который в упрощенной форме сводится к следующему. При прохождении импульса света через просветляющийся фильтр "хвосты" импульса, имеющие малую интенсивность, ослабляются в нем из-за поглощения, а вершина импульса с большой интенсивностью проходит - импульс становится узким.

Этот процесс повторяется с периодом Т = 2L/с, и на выходе образуется последовательность мощных пикосекундных импульсов. Одновременно с синхронизацией мод имеет место и модуляция добротности резонатора. Пассивная синхронизация мод технически намного проще, чем активная.

13.4. Использование дисперсионных свойств среды для создания фемтосекундных Импульс малой длительности имеет очень широкий спектр. В диспергирующей среде отдельные части спектра движутся с различными групповыми скоростями, и при нормальной дисперсии длинноволновые составляющие движутся быстрее коротковолновых, при аномальной - наоборот. В результате интервалы между составляющими различных частот становятся неодинаковыми - импульс расплывается.

В случае нормальной дисперсии среды частота увеличивается от начала импульса к его концу. Чтобы устранить растяжение импульса, нужно пропустить его через среду с дисперсией аномальной, имеющей обратный знак. Было обнаружено, что этого же можно добиться при помощи призм или дифракционных решеток. Длинноволновые составляющие переднего фронта импульса задерживаются по отношению к коротковолновым составляющим заднего его фронта, задний фронт "догоняет" передний, импульс сжимается.

13.4. Использование нелинейных свойств среды для создания фемтосекундных Дальнейшее развитие фемтосекундных лазеров связано с использованием нелинейных свойств среды, возникающих в поле мощного лазерного излучения. К 1990 году был реализован новый способ пассивной синхронизации мод без просветляющегося поглотителя - самосинхронизация.

Нелинейные свойства среды проявляются в том, что ее показатель преломления n начинает зависеть от интенсивности излучения I. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды поля A2, и эту зависимость обычно записывают в виде n = no + n2A2 (оптический эффект Керра). Здесь no – «обычный» показатель преломления (имеющий место при малых интенсивностях света), а второе слагаемое - нелинейная добавка, определяющая изменение показателя преломления под влиянием мощного излучения. Вследствие «керровской нелинейности» возникают самофокусировка пучка, фазовая модуляция и сжатие импульсов, часто объединяемые термином «самовоздействие».



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ 5 РОССИИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА 2007 Региональные секции СОДЕРЖАНИЕ редакционного совета Электродинамика, микроволновая Восточная техника, антенны Председатель – А. Г. Вострецов, д-р техн. наук, профессор, проректор по научной работе Новосибирского Королев К. Ю., Пахотин В. А., Маклаков В. Ю., государственного технического университета. Ржанов А. А. Анализ эффективности Заместитель председателя – А. А. Спектор, многоканальных антенных систем д-р техн. наук,...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Пензенский государственный педагогический университет имени В. Г. Белинского ПРИНЯТО УТВЕРЖДАЮ на заседании Ученого совета проректор по учебной работе физико-математического факультета _ М. А. Пятин Протокол заседания совета факультета _2007 г. № _от _2007 г. Декан ф-таВ.И. Паньженский ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Электрорадиотехника 05.02.01 – Математика с дополнительной специальностью физика Физико-математический факультет Кафедра общей физики Пенза – I....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Утвержден приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 200 г. № Регистрационный номер _ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ по направлению подготовки 108 б - Радиотехника Квалификация (степень) Бакалавр 2 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Направление подготовки Радиотехника утверждено приказом Министерства образования и науки Российской Федерации Федеральный государственный...»

«СОДЕРЖАНИЕ I. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ Куликова Юлия Павловна СТРУКТУРА ОЦЕНКИ УДОВЛЕТВОРЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ИННОВАЦИЯМИ 7 Мещерякова Елена Владимировна РОЛЬ ЕврАзЭС В РАЗВИТИИ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА РОССИИ И ПОВЫШЕНИИ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ЕЕ ЭКОНОМИКИ НА МИРОВОМ РЫНКЕ 9 Торгушина Екатерина Васильевна РАЗВИТИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ 12 Пыршева Марина Валерьевна ВНЕШНЕЭКОНОМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И ТОРГОВАЯ ПОЛИТИКА РОССИИ В ТАМОЖЕННОМ СОЮЗЕ И ВТО ШКОЛА...»

«ВВЕДЕНИЕ Быстрое развитие микроэлектронных технологий, рост степени интеграции и функциональной сложности привели к тому, что основу элементной базы большинства современных радиоэлектронных и вычислительных устройств составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), содержащие сотни тысяч и миллионы транзисторных структур на полупроводниковом кристалле. При этом все шире используются специализированные (заказные и полузаказные) СБИС, при помощи которых достигается значительное...»

«Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова Научно-техническая библиотека Научно-библиографический отдел Прикладная геодезия в строительстве Библиографический список в помощь учебному процессу Белгород 2013 Прикладная (инженерная) геодезия решает задачи геодезического обеспечения проектов строительства и эксплуатации различных инженерных сооружений, к которым относятся жилые и общественные здания, промышленные комплексы, метрополитен, автомобильные и железные...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ МИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВЫСШИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИНФОРМАЦИОННОЕ СООБЩЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ СООБЩЕНИЕ РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОТДЕЛА РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОТДЕЛА МИНСК 2009 МИНСК 2009 1 Данное Информационное сообщение, подготовленное редакционно-издательским отделом совместно с учебно-методическим отделом, предлагает преподавателям, сотрудникам и студентам колледжа ознакомиться с перечнем и кратким содержанием...»

«Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Полоцкий государственный университет УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе В.В. Булах _ _ 2009г. Английский язык для начинающих радиотехнического факультета и факультета информационных технологий УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС для студентов специальностей 40.01.01 Программное обеспечение информационных технологий 39.02.01 Моделирование и компьютерное проектирование РЭС 40.02.01 Вычислительные машины и сети 36.04.02 Промышленная...»

«Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Сергеев Валерий Варламович Официальные оппоненты: Сороцкий Владимир Александрович, доктор технических наук, доцент, СанктПетербургский государственный политехнический университет, кафедра радиотехники и телекоммуникаций,...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РОССИИ УТВЕРЖДЕНО Приказом директора ФАС России от 17 июня 1999г. №155 ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПРИКАЗ 17июня 1999 г. № 155 г. Москва Об утверждении и введении в действие Руководства по радиотехническому обеспечению полетов и технической эксплуатации объектов радиотехнического обеспечения полетов и авиационной электросвязи В целях совершенствования нормативной правовой базы технической эксплуатации...»

«Министерство образования и науки Российской федерации Государственная корпорация Российская корпорация нанотехнологий Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ Транспортные сети передачи информации (Код М.2.В.ДВ.02.01) Направление подготовки 200400.68 Оптотехника ( Волоконные лазеры и волоконно-оптические Профиль системы подготовки Заказчик: Государственная корпорация Российская корпорация нанотехнологий (ГК...»

«Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ 1’2007 СЕРИЯ История науки, образования и техники СО ЖАНИЕ ДЕР ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ Редакционная коллегия: О. Г. Вендик Золотинкина Л. И. Начало радиометеорологии в России Партала М. А. Зарождение радиоразведки в русском флоте Ю. Е. Лавренко в русско-японскую войну 1904-1905 гг. В. И. Анисимов, А. А. Бузников, Лавренко Ю. Е. Коротковолновое радиолюбительство в истории радиотехники Л. И. Золотинкина, Любомиров А. М. Индукционная плавка оксидов В. В. Косарев, В. П. Котенко, в...»

«1 СБОРНИК РАБОЧИХ ПРОГРАММ Магистерская программа Приём и обработка радиосигналов по направлению подготовки 210400 “Радиотехника” Содержание № наименование Стр. Математическое моделирование радиотехнических устройств и систем 1.1.01 2 История и методология науки и техники (применительно к радиотехнике) Иностранный язык 1.2.01 22 Основы современной математики 1.2.02 Теория сл.процессов и стат. синтеза РТУ 1.2.03 Устройства приема и обработки сигналов 2.1.01 Устройства генерирования и...»

«1 СБОРНИК РАБОЧИХ ПРОГРАММ Магистерская программа Радиолокационные и телевизионные системы по направлению подготовки 210400 “Радиотехника” Содержание № наименование Стр. Математическое моделирование радиотехнических устройств и систем 1.1.01 2 История и методология науки и техники (применительно к радиотехнике) Иностранный язык 1.2.01 22 Основы современной математики 1.2.02 Теория сл.процессов и стат. синтеза РТУ 1.2.03 Устройства приема и обработки сигналов 2.1.01 Устройства генерирования и...»

«Зарегистрировано в Минюсте РФ 4 февраля 2010 г. N 16262 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПРИКАЗ от 22 декабря 2009 г. N 814 ОБ УТВЕРЖДЕНИИ И ВВЕДЕНИИ В ДЕЙСТВИЕ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ 210400 РАДИОТЕХНИКА (КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) БАКАЛАВР) КонсультантПлюс: примечание. Постановление Правительства РФ от 15.06.2004 N 280 утратило силу в связи с изданием Постановления Правительства...»

«Левин В.И., Кроп А.Д. Разработка методики инженерного расчета радиоизмерительной аппаратуры на надежность (отчет по НИР) (научный руководитель В.И. Левин) // НИИ радиоизмер. техники, Каунас, 1961. (Удостоверение о регистр. № 30683 от 27. 07. 1962 Комитета по делам изобр. и открытий) (8,0 п.л.) Левин В.И., Буожис С. С. Об одном методе оценки схемной надежности радиоизмерительной аппаратуры. (тезисы доклада) // Сб. докладов и сообщений II Ленинградской научно - технич. конфер. по повышению...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Центр профессионального образования Федерального института развития образования Межгосударственная ассоциация разработчиков и производителей учебной техники (МАРПУТ) РЕКОМЕНДАЦИИ к минимальному материально-техническому обеспечению по направлению подготовки 210000 Электронная техника, радиотехника и связь начального и среднего профессионального образования для реализации Федеральных государственных образовательных стандартов Москва 2011...»

«АННОТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ПРОГРАММЫ 210400.68 СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ 210400 РАДИОТЕХНИКА Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) Общие положения Основная образовательная программа (ООП) подготовки магистров по направлению 210400 Радиотехника разработана в соответствии с федеральным государственным...»

«Некоммерческое акционерное общество АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра Телекоммуникационные системы Специальность 6М071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ Зав. кафедрой к.т.н. Шагиахметов Д.Р. (ученая степень, звание, ФИО) (подпись) _ _ 2014г. МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ пояснительная записка на тему: Исследование влияния различных факторов на скорость распространения сигнала по технологии WLL Магистрант_Абданбаева М.М. _ группа МТСп-12- (Ф.И.О.)...»

«Информационные процессы, Том 13, № 4, 2013, стр. 306–335. 2013 Кузнецов, Баксанский, Жолков. c ИНФОРМАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ От прагматических знаний к научным теориям. II Н.А. Кузнецов, О.Е.Баксанский, С.Ю.Жолков Институт радиотехники и электроники, Российская академия наук, Москва, Россия Институт философии, Москва, Россия НИУ нефти и газа им. И.М.Губкина, Москва, Россия Поступила в редколлегию 23.09.2013 Аннотация—Анализ априоризма в его “классическом” понимании и определение границ, в...»





Загрузка...



 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.