qwerty (Шпоры к экзамену), страница 2

области полупроводника. Зарядовые пакеты перетекают от элемента к элементу, выводятся наружу и дают последовательность видеоимпульсов, адекватную воспринимаемому образу.

На вход оптопары поступает электрический сигнал, например импульс тока I_вх (см. рисунок), преобразуемый светоизлучателем в импульс светового потока. Световой импульс излучается на рабочей длине волны в направлении фотоприемника. Форма выходного импульса тока в относительных величинах показана на рисунке. Быстродействие оптронов в импульсных схемах оценивается суммарным временем переключения t_пер=t_вкл+t_выкл.

50. Газоразрядный экран (плазменная панель) — устройство отображения информации, использующее в своей работе явления электрического разряда в газе и возбуждаемого им свечения люминофора. Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными поверхностями. В качестве газовой среды обычно используется неон или ксенон. Разряд в газе протекает между прозрачным электродом на лицевой стороне экрана и адресными электродами, проходящими по его задней стороне. Газовый разряд вызывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора. В цветных плазменных панелях каждый пиксель экрана состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, плазма начнёт перемещаться. При этом она излучает ультрафиолетовый свет, который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя.

51. Жидкокристаллический индикатор предназначен для отображения графической информации с компьютера, TV-приёмника, цифрового фотоаппарата, электронного переводчика, калькулятора и пр. Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым. Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света — ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение — молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности. Важнейшие характеристики ЖК-мониторов: разрешение, размер точки, соотношение сторон экрана, видимая диагональ, контрастность, яркость, время отклика, угол обзора, тип матрицы.

52. Внутренняя энергия атомов, молекул, ионов квантована. Кждая молекула может взаимодействовать с электромагнитным излучением, совершая переход с одного энергетического уровня на другой. Энергия поля излучения также квантована, так что обмен энергией между полем и частицами может происходить только дискретными порциями. Частота излучения, связанного с переходом атома между энергетическими состояниями, опр-ся частотным условием Бора: Не все переходы между энергетическими состояниями являются возможными. Для каждого из переходов существует определенная вероятность.

При индуцированных переходах квантовая система может переводиться из одного энергетического состояния в другое как с поглощением энергии внешнего поля, так и с излучением энергии. Индуцированное излучение – это вынужденное излучение, стимулируется внешним электромагнитным полем. Индуцированное излучение полностью тождественно излучению, вызвавшего его. Вероятность индуцированных переходов и в единицу времени: ; , где - плотность энергии в единичном спектральном интервале на частоте перехода.

Спонтанные переходы из верхнего энергетического состояния Е2 в нижнее Е1 самопроизвольно без внешнего воздействия с излучением кванта hv, т.е. они являются излучательными. Вероятность W21 таких переходов не зависит от внешнего электромагнитного поля и пропорциональна времени. За время dt: .

В квантовых системах также играют роль безызлучательные релаксационные переходы. Они играют двойную роль: приводят к уширению спектральных линий и осуществляют установление термодинамического равновесия квантовой системы с ее окружением.

53. Состояние при котором населенность верхнего энергетического состояния превышает населенность нижнего называется инверсией населенности. Среда, в которой реализуется инверсия населенности называется активной средой (веществом). , где n2 и n1 – населенности верхнего и нижнего уровней. При реализуется инверсия населенности. Источник для создания ИН называется источником накачки. Процесс получения ИН – накачка системы: метод вспомогательного электромагнитного излучения, за счет неупругих соударений, за счет инжекции носителей, за счет фотодиссоциации, энергии химичских реакций, распада молекул и др. Боольшинство типов лазеров при своей работе для получения генерации на переходах используют 3 и 4 уровневые системы:

Уширение контура спектральной линии: 1)естественная ширина линии неопределенность Гейзенберга . 2) Доплеровское смещение . 3)столкновение частиц в газовом разряде. 4)Штарковское уширение (из-за наличия внутренних полей кристаллической решетки). 5)Зеймановское уширение (из-за наличия внешнего магнитного поля).

-ширина контура спектр. лин.

54. Практически во всех квантовых приборах генерирование колебаний происходит в резонансной системе, где размещается активная среда. В оптическом диапазоне в качестве резонаторов используются отражатели (зеркала), между которыми располагается активный образец. Основная особенность оптических резонаторов заключается в том, что размеры их значительно больше длины волны. Типы резонаторов:

1) Интерферометр Фабри-Перо

2) Конфокальный

3)Сферический

4) совокупность плоских и сферических зеркал

- условие баланса фаз, где L- длина резонатора, q – число полуволн, укладывающихся в L.

- добротность резонатора, - суммарные потери резонатора.

55. Первым газовым лазером непрерывного действия был лазер, в котором в качестве активной среды использовалась смесь двух газов – гелия и неона.

- угол Брюстера.

Происходит эффективная резонансная передача возбуждения от атомов He к Ne. На уровнях 2S и 3S возникнет инверсия населенности по отношению к нижележащим уровням. В излучении лазера присутствует только один из указанных справа переходов вниз. Селекция производится настройкой резонатора. происходит за счет спонтанного излучения. (Х) – столкновение со стенками газоразрядной трубки за счет диффузии.

56. Эксимерные лазеры. В качестве активной среды в этом типе лазеров выступают молекулы, которые могут существовать только в возбужденном состоянии. Такие молекулы называются эксимерами. Для лазерной генерации используются электронно-колебательные переходы между устойчивым возбужденным (Е1) и химически неустойчивым основным состоянием (Е0). Из-за того, что верхнее состояние представляет собой полосу электронно-колебательных уровней, а в нижнем отсутствует дискретная вращательно-колебательная структура уровней энергии, излучение происходит в широком спектральном диапазоне, что позволяет перестраивать частоту генерации в его пределах. Такие лазеры работают в основном в импульсном режиме, генерируя короткие импульсы с КПД до 10%.

Химические лазеры. Инверсия населенностей достигается за счет энергии экзотермических химических реакций между составляющими активной среды. Основным достоинством являются: прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного лазерного излучения с высоким КПД (~10%), большие мощности в непрерывном режиме, высокое значение удельной энергии др.

Рентгеновские лазеры. В качестве активных сред используются плазменные среды с многократно ионизированными атомами. Энергетические состояния этих атомов аналогичны энергетической структуре эквивалентных атомов с той лишь разницей, что значение энергии уровней ионов будет намного больше. Развитие этих лазеров обусловлено требованиями нанотехнологий, оптической микроскопии, голографии, системах противоракетной обороны. Получение плазмы с такими многократно ионизированными ионами возможно только в установках типа тех, которые используются для термоядерного синтеза, поэтому это огрничивает их применение сегодня.

Лазеры на свободных электронах. В них используются электронные потоки, ускоренные до релятивистских скоростей и движущиеся через ондулятор. Ондулятор – устройство с периодически изменяющимся электрическим или магнитным полем. Поле в нем формируется набором расположенных друг за другом магнитов с чередующейся полярностью. Кроме поступательного движения, электроны под действием периодического магнитного поля совершают периодические колебания. Периодические колебания (осцилляции) электронов сопровождаются электромагнитным излучением с частотой , где V – скорость переносного (продольного) движения электронов, лямбда – период изменения магнитного поля.

57. Особенности твердотельных лазеров:

1) более высокая плотность активной среды

2) бОльшие оптические потери

3) высокая прозрачность среды

В качестве активной среды используются кристаллические диэллектрики, гранаты, стекла, пластмассы. В них внедряются активные элементы.

Рубиновый лазер: 1 – зеркальная отрадающая материя, 2 – рефлектор. Газоразрядная трубка (ГРТ) обеспечивает необходимую накачку активного вещества. Рефлектор предназначен для увеличения эффективности излучения. А.В. – активное вещество.

уровни 1 и 2

1. Малая разность энергий уровней, не выполняется условие баланса мощностей

2. растет инверсия населенности на уровнях 2S и 3S

3. Нижние уровни заселяются более интенсивно чем верхние, инверсия населенностей исчезает.

- условие баланса мощностей. Все что ниже - теряется из-за потерь, все что выше – спектр излучения лазера.

1 – спектр излучения ГРТ, 2 – спектр поглощения рубина.

условие баланса мощностей не выполняется. Заселенность уровня 1 и 2 пропорциональна энергии накачки.

58. В инжекционных лазерах используется р—n-переход,

образованный вырожденными полупроводниками с разным типом проводимости. На рис. показана энергетическая диаграмма такого р—n-перехода в состоянии равновесия, т. е. при отсутствии внешнего напряжения, а следовательно, и тока через переход. Уровни Ферми и в обеих областях совпадают. При пдключении к p-n переходу прямого внешнего напряжения его энергетическая диаграмма изменяется. Запирающий слой сужается до ширины L, потенциальный барьер уменьшается, а уровень Ферми в области запирающего слоя распадается на квазиуровни Ефn и Ефр.

Состояние инверсной населенности достигается путем энергетической накачки: при подаче положительного смещения через переход течет ток инжекции, и большинство энергетических уровней в зоне проводимости заселяются электронами, а в валентной зоне большая часть уровней оказывается свободной. Вновь излученные в результате переходов фотоны индуцируют новые излучательные переходы и если энергия индуцированного излучения превзойдет по величине энергию потерь, то установится режим генерации. Таким образом режим генерации устанавливается при определенном значении тока инжекции, называемого пороговым током.

59. Полупроводниковая структура гетеролазера состоит из области GaAs n-типа, узкой области GaAs р-типа и области тройного соединения AlхGa1-хAs p-типa. Активной является средняя область, где создается инверсия населенностей. На границе средней и правой областей образуется потенциальный барьер, который ограничивает длину свободного пробега электронов, инжектированных из левой области, и повышает эффективность образования вынужденного излучения. Кроме этого одновременно уменьшается поглощение света в

правой неактивной области, так как из-за различия в величине коэффициента преломления в средней и правой областях наблюдается полное внутреннее отражение света на границе этих областей. В результате этих процессов удалось при Т=300 К понизить плотность порогового тока от 20—100 кА/см2 до 7—10 кА/см2 и увеличить КПД до 10%.

Отличительной особенностью гетеролазеров является возможность изготовления лазеров с различной длиной волны излучения изменением концентрации примесного алюминия. Например, изменение последней в пределах от 0 до 30% вызывает изменение длины волны от 0,9 до 0,68 мкм.

60. КПД He-Ne лазера.

, где - эффективность использования энергетических уровней квантовой системы. - отношение энергии излучения к энергии возбуждения. - энергия накачки, определяется числом электронов в разряде, которые могут участвовать в процессе возбуждения.

1) ток разряда меньше порогового значения. Малая разность энергий уровней, не выполняется условие баланса мощностей.

2) растет инверсия населенностей на уровнях 2S, 3S.

3) нижние уровни заселяются более интенсивно чем верхние, инверсия населенностей исчезает.

61. КПД рубинового лазера.

, где - эффективность использования энергетических уровней квантовой системы. - отношение энергии излучения к энергии возбуждения. - энергия накачки, определяется числом электронов в разряде, которые могут участвовать в процессе возбуждения.

На интервале условие баланса мощностей не выполняется. Заселенность уровней 1 и 2 пропорциональна энергии накачки.

уровни 1 и 2

62. . Фотовольтаический эффект возникает при облучении светом полупроводника с p-n-переходом (или другим видом потенциального барьера). При собственном поглощении в p-n-переходе и прилегающих к нему областях оптически генерируются избыточные носители – электроны и дырки. Электрическое поле перехода перемещает дырки в p-область, электроны - в n-область, разделяя тем самым генерируемые носители. Через переход протекает дрейфовый фототок неравновесных неосновных носителей. Неравновесные основные носители не могут преодолеть потенциальный барьер перехода и остаются в области генерации. В результате разделения оптически генерируемых носителей концентрации дырок в p-области и электронов в n-области повышаются, что приводит к компенсации объемного заряда неподвижных примесных ионов на границах перехода. Потенциальный барьер перехода уменьшается на величину фото-ЭДС (напряжение холостого хода U_хх). U_xx=_Тln(1+I_Ф/I₀). При соединении смежных областей цепью нагрузки, в ней наблюдается электрический ток, равный в случае короткого замыкания фототоку I_Ф. I_Ф=I_кз=qSG(L+L_p+L_n), где S – площадь перехода; G – скорость генерации неравновесных носителей; L – толщина перехода; L_p, L_n – диффузионные длины дырок и электронов соответственно.

Энергетические диаграммы освещенного и неосвещенного p-n переходов: