F_08_opt (Лекции (Ляхова)), страница 3

Фотоэлементы (с фотоЭДС) в качестве датчиков излучения на 2 - 3 порядка чувствительнее, чем фоторезисторы (с внутренним фотоэффектом). При освещении фотодиода на нагрузочном сопротивлении R появляется сигнал V = I R, который и регистрируется. У фотодиодов существенно выше чувствительность и быстродействие - до 10 ^-9 с.

Малоразмерные электронные устройства требуют соответствующих элементов питания. Для увеличения эффективности миниатюрных фотоэлементов можно использовать трехмерные структуры. Профиль параболы позволяет существенно увеличить площадь принимающей поверхности.

Рис. 1.10.24. Структура объемного микропараболического фотоэлемента.

Чувствительные к свету солнечные ячейки (DSSC) имеют розовый цвет из-за наличия в их составе рутения и частичек титана или оксида цинка, которые поглощают солнечный свет и превращают его в электрический ток, передовая его по нано-связям в конденсаторы. Такие батареи в 4 раза дешевле.

3.3. Фотоупругость.

При механическом или температурном воздействии на прозрачную упругую среду изменяется плотность ρ этой среды, что влечет за собой изменение коэффициента поглощения α, коэффициента отражения R.. Эффект используется для дистанционного измерения температуры и давления в фотоупругих жидкостях, газах (в живых организмах, аэродинамических и гидродинамических системах), ветровых давлений на поверхностях наземных сооружений и движущихся предметов.

Рис. 25. Вверху - структура датчика давления с использованием фотоупругого материала (photoelastic material), внизу – график зависимости интенсивности оптического сигнала от давления.

Конструктивно датчик представляет собой объем фотоупругого материала с прозрачными (красными) боковыми стенками в разрыве оптоволоконной линии передачи. Верхняя стенка выполнена в виде мембраны, которая передает внешнее давление материалу. В результате меняется показатель преломления материала, его волновое сопротивление, коэффициенты отражения и поглощения. Оптический сигнал, проходя через датчик, изменяет свою интенсивность.

3.4. Термическое воздействие света.

При поглощении световой энергии в зависимости от интенсивности поглощаемого сигнала происходит изменение таких параметров вещества как длина r и угол связи α между атомами в молекулах, полиморфные превращения, разрушение (испарение). Локальное воздействие света на центр микрорезонатора в виде мембраны или балки вызывает акустические колебания. (М09-03b) – акустические колебания микрорезонатора под влиянием модулированного светового сигнала, переданного по волоконнооптическому световоду.

Световая энергия может являться катализатором химических реакций. В частности, в фотохромных материалах это приводит к изменению цвета. (М09-03с) – проявление рисунка (буквы L) под действием света. В случае кристаллических соединений действие света может сводиться к перемещению электронов или атомов из одних узлов кристаллической решетки в другие. Так, светозащитное фотохромное стекло содержит около 0,5% хлорида или бромида серебра, сплавленного с боросиликатами щелочных металлов. Под действием света происходит перенос электронов от ионов галогена к ионам серебра; образовавшиеся атомы серебра делают стекло непрозрачным. Обратная реакция может идти под действием света с другой длиной волны или в темноте. Такое стекло используется для изготовления солнечных очков, окон зданий и автомобилей. Для изготовления иллюминаторов самолетов используют пластиковые стекла, содержащие фотохромный краситель, который темнеет на ярком солнечном свету, а при слабом освещении восстанавливает свою прозрачность. Если в прозрачную пластмассу ввести всего 0,1% гексакарбонила хрома Cr(CO)₆, то при облучении бесцветное вещество окрашивается в интенсивный желтый цвет в результате отщепления одной молекулы СО. В темноте при комнатной температуре примерно в течение 4 ч происходит обратная рекомбинация СО и Cr(СО)₅, и цвет исчезает.

Флуоресцирующий многослойный диск (ФМД - FMD), содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или CD, а излучает. При освещении активирующим излучением полупроводниковым лазером, вещество начинает излучать, сдвигая спектр падающего (λ = 650нм) на него излучения в сторону красного цвета до λ = 680 нм. Поскольку величина сдвига зависит от толщины слоя, можно записывать информацию вглубь диска и впоследствии считывать ее без потери данных. Плотность записи будет зависеть от чувствительности регистрирующего детектора. Чем меньше то дополнительное излучение флюоресцирующего вещества, добавляющееся к частоте рабочего лазера, который удастся зафиксировать, тем большее число слоев можно вместить в один диск.

Рис. 25. Схема считывания с флуоресцирующего многослойного диска.

Используя синий лазер (480нм) можно увеличить плотность записи до десятков Терабайт на один диск. Вполне возможно создание диска с 1000 слоями - это уже субмолекулярные размеры. Теоретически возможно создание пятна размером в несколько молекул, проблема лишь в том, как зафиксировать столь малое флуоресцентное излучение. Возможно параллельное чтения слоев, т.е. последовательность бит будет записана не по "дорожкам", а по слоям. Принцип записи на ФМД основан на явлении фотохромизма полимера из серии фульгидов. Под действием лазерного луча определенной длины волны в микрообъеме происходит фазовый переход – циклизация полимера. Под действием лазера с другой длиной волны происходит обратная реакция рециклизации, приводящая к исчезновению флуоресцентных свойств - операция стирания.

Световое некогерентное излучение в процессе фотолитографии приводит к фазовому превращению фоторезистивного покрытия: в зависимости от типа материала происходит полимеризация или разрушение вещества из-за разрыва связей. Фотохимические реакции обладают высокой спектральной избирательностью: ультрафиолетовое излучение активно, а красное – не влияет.

Разнообразно использование лазера в технологических процессах. Сфокусированный луч способен формировать разнообразной конфигурации отверстия и контуры даже в тугоплавких металлах. В нанотехнологии лазерный луч испаряет материалы для получения тонких слоев, участвует в прецизионной литографии, разрушает металлоорганические газообразные соединения с целью осаждения металлического слоя на подложку в местах прохождения луча. Термические свойства лазерного излучения используются в принтерах высокого разрешения, при термомагнитной записи для нагревания выше температуры Кюри места перемагничивания.

4. Световоды.

Наиболее широко использование распространение света в свободном пространстве. Отклонение луча от прямолинейной траектории осуществляется с помощью зеркал. Произвольная траектория, но с большими потерями, формируется световодами: оптическим волокном, планарными оптическими волноводами, фотонными кристаллами.

1.10.4.1. Волоконная оптика.

Волоконнооптический световод состоит из сердечника с показателем преломления n_с и отражающего покрытия (оболочки) с n_об . При условии n_с > n_об и  < _кр ( где Sin _кр = n_об / n_с ) свет испытывает полное внутреннее отражение от оболочки и распространяется внутри световода. При > _кр часть световой энергии проходит через оболочку и рассеивается в пространстве.

Рис. 1.10.26. Схема ввода и распространения света по световоду - волокну.

(М09-06а) – зависимость распространения луча от угла падения на границу сред с показателями преломления n = 1.5 и 1.0 (TIR – условие полного внутреннего отражения).

Интенсивность светового пучка: J (x) = J (0) exp ( -  l_эф ) ,

где  - коэффициент поглощения (ослабления), зависящий от

- поперечных размеров волокна,

- дефектов структуры сердечника и оболочки,

- дефектов поверхности (шероховатости, загрязнения).

Удовлетворительное значение  = 3 дБ/км.

Оптическое волокно может служить датчиком температуры, давления. Поскольку под воздействием внешних факторов волокно деформируется, параметры волокна изменяются, что влечет за собой изменение поглощения световой энергии или фазы светового сигнала. Составляются градуировочные зависимости, по которым и определяются искомые значения температуры или давления. При измерении температуры градуировочные зависимости учитывают влияние давления. При измерении давление также учитывается влияние температуры.

Волоконнооптический интеферометр

Материал сердечника: Si, кварц, многокомпонентные стекла, полимеры типа “оргстекла”. Кристаллы обусловливают меньшие потери, стекло и полимеры - меньшую стоимость.

Оптическое волокно широко используется для передачи информации в телефонии, кабельном телевидении, для высокоскоростного обмена информацией между компьютерами и периферийными устройствами, в том числе и датчиками. Оптические линии связи - это обычно многожильные кабели с диаметром волокна 0.03...0.2 мм. Диаметр волокна должен быть больше распространяющейся длины волны.

Для ввода излучения в световод используют линзы. У обычных линз с малым фокусным расстоянием - слишком большие искажения, поэтому применяются градиентные линзы ( с переменным n ) - граданы. За счет использования плавно меняющегося коэффициента n луч распространяется по криволинейной траектории. Граданы также используются для разъемных соединений, разветвлений световых потоков, переключателей.

1.10.4.2. Оптический волновод.

На основе эффекта полного внутреннего отражения функционирует оптический волновод (waveguide). Эффект реализуется за счет границ материалов с различным показателем преломления: кремния, окиси кремния и воздуха. Волновод удобен для оптических интегральных схем, так как открытый конструктив позволяет формировать в нем электронные элементы: диоды, поглощающие нагрузки и т.п..

Рис. 27. Сечение одномодового оптического волновода и структура поля.

Сопряжение волновода и волокна осуществляется с помощью переходного элемента.

Рис.1.10.28. Элемент сопряжения оптических волновода и волокна.

4.3. Световод на фотонном кристалле.

В двумерном фотонном кристалле можно сформировать световод как дорожку, свободную от вертикальных штырей. По аналогии с сетчатыми экранами радиоволн, перпендикулярные подложке штыри будут отражать световые волны, если их размеры сопоставимы с длиной оптической волны, а материал обладает отражающими свойствами.

Рис. 1.10.29. Световод на двумерном фотонном кристалле. Хорошо просматривается дорожка между штырями.

5. Газоразрядные элементы.

Газовый разряд инициируется при относительно большом напряжении. Газоразрядная оптика по мере увеличения возможностей технологии снижает рабочее напряжение и становится более востребованной.

Напряжение, подаваемое на электроды, расположенные в инертном газе с низким давлением, возбуждает и ионизирует атомы газа. Газ становится электропроводящим. Развивается несамостоятельный (темновой) газовый разряд. (1) - область слабого тока - “тихого” разряда. С увеличением напряжения больше 100 В происходит пробой. Это область (2) таундсендовского разряда. В ней при постоянном напряжении между электродами ток может увеличиваться за счет бомбардировки катода положительными ионами.