шпоры к семинару по оптоэлектронным приборам (Шпоры к экзамену), страница 2

1. Оптроны (оптопары). Типы оптронов, исследованные в лабораторной работе. Передаточные характеристики.

Оптоэлектронная пара, или оптрон, содержит светоизлучатель и фотоприемник, конструктивно связанные через оптическую среду но развязанные гальванически. Оптопара используется как элемент электрической развязки в цифровых и импульсных устройствах, устройствах передачи аналоговых сигналов. Она является составным элементом оптических микросхем. Существует несколько типов оптронов. В лабораторной работе были исследованы диодный, резисторный и тиристорный оптроны. Эти три вида оптронов отличаются только типами фотоприемников. В диодном оптроне в качестве фотоприемника используется фотодиод, в резисторном – фоторезистор, а в тиристорном – фототиристор. Во в качестве светоизлучателя используются светодиоды, лазеры и другие излучатели. Степень воздействия излучателя на фотоприемник (передаточная характеристика) определяется для диодных и транзисторных оптронов коэффициентом передачи тока K_i=I_вых/I_вх, для резисторных оптронов отношением темнового сопротивления R_тм к световому R_св или величиной светового сопротивления R_св, для тиристорных оптронов - минимальным входным током, обеспечивающим спрямление характеристики, I_спр.вх.. Фототиристор включается, если входной ток превысит ток спрямления. Диодные оптроны, изготавливаемые почти исключительно с использованием p-i-n-фотоприемников, отличаются наибольшим быстродействием (вплоть до t_{вкл(выкл)}≈10^-8 с), но значение K_i составляет единицы процентов, и поэтому необходимо усиление фотосигнала. Одна из важных особенностей диодных оптронов – способность работать в фотовентильном режиме без подачи внешнего напряжения на фотоприемник. При этом оптрон выступает как управляемый изолированный источник питания. Резисторные оптроны характеризуются линейностью и симметричностью выходной вольт-амперной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС, высокой кратностью отношения R_тм/R_св, но обладают очень значительной инерционностью (t_{вкл(выкл)}=10^-1…10^-2 c). Тиристорные оптроны очень удобны в «силовой» оптоэлектронике: они с одинаковым успехом пригодны для коммутации сильноточных цепей (U_ком≈50…1300 В, I_ком≈0.1…320 А). Управляя столь значительными мощностями в нагрузке, тиристорные оптроны по входу практически совместны с интегральными схемами (значение I_спр.вх. составляет десятки миллиампер). Фототиристор остается во включенном состоянии после снятия входного сигнала. Это свойство используется некоторыми интегральными схемами. Передаточные характеристики типичных образцов оптронов приведены на рисунке.

1. Оптроны. Импульсные характеристики, исследованные в лабораторной работе и их пояснение.

Оптоэлектронная пара, или оптрон, содержит светоизлучатель и фотоприемник, конструктивно связанные через оптическую среду но развязанные гальванически. Оптопара используется как элемент электрической развязки в цифровых и импульсных устройствах, устройствах передачи аналоговых сигналов. Она является составным элементом оптических микросхем. В лабораторной работе рассматривается работа резисторного и диодного оптронов в импульсном режиме. 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. Время переключения резисторного оптрона значительно превосходит время переключения диодного оптрона. p-i-n структура, используемая в фотоприемниках диодных оптронов, обеспечивает малое время жизни носителей, так как даже при небольших обратных смещениях в i-области возникает сильное электрическое поле, и генерируемые светом электроны и дырки за счет дрейфа быстро рассасываются. Инерционность диодного оптрона может быть менее 10^-9…10^-10 с. В резисторном оптроне под действием светового излучения образуются свободные носители, время жизни которых значительно превосходит время жизни носителей в фотодиоде, так как в фоторезисторе процесс разделения носителей с последующей рекомбинацией не происходит.

1. Фото ПЗС. Устройство и принцип работы.

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ПЗС) наиболее перспективны как многоэлементные фотоприемники современной оптоэлектроники. Они широко применяются в современной цифровой аппаратуре видео- и фото-съемки как фоточувствительные матрицы. В современных цифровых фотоаппаратах применяются фото-ПЗС, содержащие до 27 млн. МДП-элементов. Фото-ПЗС представляют собой матрицу (линейную или двумерную) одинаковых МДП-элементов, расположенных на кристалле так близко друг к другу, что между соседними элементами возникает связь (см. рисунок). Принцип действия фото-ПЗС заключается в следующем. Если к какому-то из электродов приложено отрицательное напряжение, то в приповерхностной зоне полупроводника образуется обедненная область (свободные электроны вытесняются в глубь кристалла), представляющая собой потенциальную яму для дырок. Воздействие света вызывает генерацию носителей заряда в толще полупроводника, образующиеся дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик – полупроводник и локализуются в тонком приповерхностном слое. Накапливаемый в потенциальной яме заряд пропорционален освещенности элемента. Этот заряд может храниться достаточно долго, пока рекомбинационные процессы не приведут к его исчезновению («стиранию» информации). Если в какой-то момент времени к электроду, соседнему с рассматриваемым, приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки перетекают в нее. Изменяя нужным образом управляющие напряжения на электродах, можно осуществить направленную передачу заряда вдоль поверхности от структуры к структуре вплоть до вывода его из кристалла. Наглядно это видно на примере трехтактной системы (см. рисунок), в которой в исходном состоянии под напряжением хранения U_хр находится каждый третий электрод (1,4,7 и др., подсоединенные к шине 1). В следующем такте к соседним электродам (шина 2) прикладывается более высокое напряжение сканирования U_ск > U_хр, что приводит к перетеканию зарядовых пакетов. Наконец, в третьем такте напряжение на шине 2 снижается до напряжения хранения. Итак, хранившаяся в ячейках 1,4,7 и др. информация оказывается перенесенной на один шаг вправо и подготовленной к новому переносу – полный цикл закончен. Во все время работы на остальных электродах (шина 3) поддерживается небольшое отрицательное напряжение U_см < U_хр, обеспечивающее обеднение всей поверхности полупроводника и ослабление рекомбинационных эффектов. Для практического осуществления передачи и вывода зарядовой информации кристалл должен содержать элементы, отличные от ПЗС-элементов (p-n-переходы по краям строк, формирователи импульсов и т.п.). Таким образом, в ПЗС пространственное распределение интенсивности света преобразуется в рельеф электрических зарядов, локализующихся в приповерхностной

1. Параметры ПЗС, исследованные в лабораторной работе и их объяснение.

В лабораторной работе были исследованы такие параметры Фото-ПЗС, как неэффективность переноса зарядов, неравномерность чувствительности фотоячеек, зависимость пороговой чувствительности от времени накопления, зависимость динамического диапазона освещенности от времени накопления, семейство свет-сигнальных характеристик и зависимость чувствительности по напряжению от времени накопления. Неэффективность переноса зарядов отражает потери при переносе заряда из ячейки в ячейку. Эти потери вызваны рекомбинационными процессами. Параметр неэффективности переноса зарядов вычисляется как отношение амплитуд сигнала, считанного с первой ячейки к амплитуде сигнала, считанного с n-ой ячейки, разделенное на число переносов заряда, равное n, при условии, что первая и n-ная ячейка изначально содержали одинаковый заряд. Неравномерность чувствительности фотоячеек ΔU_c = ((U_cмакс – U_cмин)/U_cмакс)∙100%, где величины U_cмакс и U_cмин вычисляются как максимальная и минимальная амплитуды сигналов, считанных с ячеек, изначально одинаково освещенных в течение одного и того же времени накопления. Неравномерность чувствительности фотоячеек объясняется не абсолютно идентичной структурой МДП-элементов ПЗС и технологическими погрешностями производства светопропускающей пленки. При расчете этого параметра необходимо учесть также коэффициент неэффективности переноса зарядов. Зависимость пороговой чувствительности от времени накопления выражается функциональной зависимостью E_пор = f(t_н). При увеличении времени накопления (экспозиции) пороговое значение освещенности (т.е. такое значение освещенности, при котором на выходе ПЗС обнаруживается сигнал) снижается, постепенно переходя в постоянный уровень, вызванный неидеальной прозрачностью оксидной пленки и другими технологическими несовершенствами конструкции фото-ПЗС. График зависимости приведен на рисунке. Зависимость динамического диапазона освещенности от времени накопления выражается функциональной зависимостью D = 10∙lg(E_макс(t_н)/Е_пор(t_н)), где Е_пор – пороговая чувствительность при времени накопления, равном t_н, а E_макс(t_н) – освещенность, при которой наступает насыщение и линейная зависимость U_cмакс=f(U_cмин) нарушается. Динамический диапазон измеряется в децибелах и возрастает с ростом t_н, так как в пределе при t_н→∞ насыщение достигается при любой ненулевой освещенности и E_макс→0. D(∞) = 10. Основной характеристикой фото-ПЗС является семейство свет-сигнальных характеристик U_с=f(E), при T_н=const, где U_c – выходной сигнал прибора, E – освещенность фотоячеек, Т_н – время накопления зарядов. Семейство характеристик представлено на рисунке. При увеличении E все ветви семейства стремятся к одному и тому же значению напряжения выхода U_cмакс, характеризующего

насыщение (заполнение потенциальных ям фотоносителями). При увеличении времени накопления (экспозиции) t_н насыщение происходит при меньших значениях освещенности и в пределе при t_н→∞ насыщение достигается при любой ненулевой освещенности, что было упомянуто ранее. По данным свет-сигнальных характеристик можно рассчитать чувствительность прибора по напряжению S=U_c/E при t_н=const. Если ограничиться постоянным значением освещенности и вычислить чувствительность при различных t_н, то будет получена характеристика зависимости чувствительности по напряжению от времени накопления. Эта характеристика возрастает с ростом времени экспозиции. Поэтому в цифровых фотоаппаратах при ночной съемке время экспозиции увеличивают, обеспечивая оптимальный уровень чувствительности.

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

1. Объяснить, что такое инверсия населенности, как она используется в лазерах и какие методы получения инверсии населенностей используются в лазерах.

Генерация когерентного излучения – основа работы лазера – требует выполнения ряда условий. Прежде всего необходимо обеспечить эффективное протекание вынужденного излучения. Одновременно идут три конкурирующих процесса, определяющих характер люминесценции вещества (см. рисунок): поглощение фотонов (переход ξ₁→ξ₂), а также спонтанное и вынужденное излучение (переходы ξ₂→ξ₁). Если концентрацию активных атомов, т.е. атомов, через которые идет процесс люминесценции, в состояниях ξ₁ и ξ₂ обозначить через N₁ и N₂, то можно записать dN₁/dt = B(N₂-N₁)F+AN₂, где A, B – вероятности спонтанных и вынужденных переходов соответственно, F – плотность излучения. Если N₂ > N₁, то коэффициент перед членом F положителен, и это означает, что в веществе происходит усиление внешнего возбуждения за счет вынужденных переходов ξ₂→ξ₁. Итак, первое условие генерации когерентного излучения заключается в создании инверсной населенности уровней, что математически выражается неравенством N₂>N₁. Нетривиальность выполнения этого неравенства обусловлена тем, что в состоянии теплового равновесия всегда N₂ < N₁, и система «сопротивляется» нарушению этого положения. Инверсия населенностей может быть создана в результате таких внешних воздействий, как разряд в газах, возбуждение светом или электронным лучом, инжекция носителей заряда p-n-переходом. Физически усиление объясняется тем, что световая волна по мере распространения в веществе больше приобретает энергии (из-за вынужденных переходов) чем отдает (из-за поглощения). Для того, чтобы эту систему превратить в генератор, нужно (как и в радиотехнике) создать положительную обратную связь, т.е. часть усиленного выходного сигнала возвратить на вход. Для этого служат различные резонаторы. Типичный оптический резонатор состоит из двух зеркал (для вывода излучения зеркала делаются полупрозрачными), обеспечивающих многократное прохождение световой волны через активное вещество.

1. Газовые лазеры. Особенности активного вещества. Объяснить физические процессы в газовом разряде, приводящие к инверсии населенностей.

Газовые лазеры обладают высокой степенью когерентности генерируемого ими излучения, малым углом расходимости и малой шириной спектральной линии. Малая ширина спектральной линии обусловлена слабым взаимодействием атомов и молекул в столь разреженном активном веществе, каким является газ. Для создания инверсной населенности используется разряд в газе, устойчивое поддержание которого требует напряжения ≈10³ В, а зажигание – ≈10⁴ В. Кроме того, поскольку газовый разряд характеризуется участком отрицательного сопротивления на ВАХ (соответствующим лавинообразованию заряженных частиц), устройство возбуждения должно содержать балластный резистор, стабилизирующий разряд и увеличивающий потребляемую мощность. Основным типом «оптоэлектронного» газового лазера является гелий-неоновый: именно в нем при минимальных габаритах достигнута высокая степень когерентности. Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие оптические длины резонатора и вследствие этого получать высокую направленность и монохроматичность излучения. Под действием электрического разряда часть атомов гелия ионизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией. Эти электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их из основного состояния ξ₁ на долгоживущие возбужденные уровни ξ₂ и ξ₃, которые близки к уровням ξ₄ и ξ₅ неона (см. рисунок). Поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона возникает высокая вероятность резонансной передачи возбуждения, в результате чего атомы неона оказываются на уровнях ξ₄ и ξ₅, а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Вероятность возбуждения атомов неона до уровней ξ₂ и ξ₃ за счет столкновений с атомами гелия мала, так как энергия этих состояний существенно отличается от энергии уровней ξ₂ и ξ₃ гелия. Таким образом, использование вспомогательного газа – гелия дает возможность осуществить дополнительно заселение энергетических уровней неона и получить инверсию населенностей между уровнями ξ₃ и ξ₄, ξ₅. Энергетический спектр атомов неона обеспечивает генерацию когерентного излучения с длиной волны 0,633 мкм.

1. Свойства лазерного излучения. Свойства, изучаемые в лабораторной работе и их объяснение.

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени. Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд. Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру. Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты f и его температурой T задает закон излучения Планка. Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E в единице объема и частоты f, мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (10¹⁵ Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов. В лабораторной работе были рассмотрены такие свойства лазерного излучения, как его длина волны, угол расходимости луча, КПД лазера и его поляризационные характеристики. Длина волны газового лазера определяется активным веществом. Угол расходимости в общем случае зависит в основном от конструкционных особенностей газового лазера. Чем длинее трубка, тем меньше угол расходимости. КПД газового лазера в принципе очень невелик. Это объясняется тем, что почти вся энергия плазмы тратится на возбуждение самых нижних уровней и на ионизацию, а на возбуждение высокого рабочего уровня – не более 1%. Поляризационные характеристики зависят в основном от того, как организован выход излучения из лазера. Если в лазере используется газоразрядная трубка с перпендикулярными выходными окнами (торцами), то условия прохождения колебаний для всех видов поляризаций одинаковы и в резонаторе излучение оказывается неполяризованным. Если же используется газоразрядная трубка с выходными окнами, выполненными под углом Брюстера, что обеспечивает прохождение колебаний только определенной поляризации, то, как следствие, формируется плоскополяризованное излучение.