151435 (Джерела і приймачі оптичного випромінювання), страница 2

Істотною перевагою світлодіода є їх швидкодія, що дозволяє реалізувати імпульсний режим роботи і отримати короткі світлові імпульси тривалістю не більше за 10 нс з частотою повторення до 10⁸ Гц. Випромінювання світлодіодів ненаправлене, тому для його концентрації в певному напрямі використовують зовнішні фокусуючі лінзи або відображаючі покриття, які наносять безпосередньо на кристал напівпровідника. Докладні відомості про параметри різних світлодіодів наведені у відповідній літературі.

Найбільш істотними недоліками світлодіодів є розкид характеристик від зразка до зразка і їх залежність від температури. Світлодіоди володіють малими розмірами, підвищеною економічністю, великим терміном служби, стійкістю до механічних впливів, високою швидкодією, що дозволяють здійснювати модуляцію випромінювання шляхом зміни струму живлення.

Позитивні властивості світлодіодів сприяють успішному їх застосуванню як твердотільні цифрові індикатори, в пристроях оптичного зв'язку, оптико-електронних приладах і т.д.

3. Лазери

Радянські вчені Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, а також американський вчений Ч. Таунс в 1964 р. були удостоєні Нобелівської премії з фізики за фундаментальні дослідження в області квантової електроніки, які послужили базою для створення принципово нових джерел випромінювання лазерів.

Лазер оснований на використанні так званого стимульованого випромінювання, яке виникає при виконанні особливих умов в квантових системах. Властивості квантових систем визначаються енергетичним станом системи. Внутрішня енергія таких систем може приймати суворо певні дискретні значення. Одне з можливих значень енергії називається рівнем енергії. Перехід квантової системи з одного енергетичного стану в інше відбувається тільки стрибкоподібно і пов'язаний з випромінюванням або поглинанням енергії, яка може мати різні форми: електромагнітну, теплову або звукову. Переходи, внаслідок яких поглинається або випромінюється електромагнітна енергія, називаються оптичними. Для частки, що знаходиться в збудженому стані (на верхньому енергетичному рівні ), є імовірність того, що через деякий час вона перейде в стан з меншою енергією (на нижній рівень ) і відбудеться випромінювання фотона частоти , яка визначається енергією початкового і кінцевого станів:

,

де - постійна Планка.

Вплив зовнішнього електромагнітного поля на частоті переходу підвищує ймовірність такого переходу. Взаємодія зовнішнього фотона зі збудженою часткою викликає перехід частки в стан з меншою енергією, і при цьому випромінюється додатковий фотон . Фотон, що змушує (стимулюючий) перехід, і фотон, що випускається внаслідок переходу, не відрізняється один від одного. Вони мають однакову частоту, напрям поширення і фазу.

Таблиця 1 – Параметри лазерів

Стан квантової системи, при якому населеність верхнього енергетичного рівня вище за населеність нижнього енергетичного рівня, називається станом з інверсною населеністю. Середовище, в якому може бути отриманий стан з інверсною населеністю, є активним середовищем лазера. Переклад квантової системи в інверсний стан здійснюється підведенням енергії, яку прийнято називати енергією накачки. Середовище, в якому існує інверсна населеність, може служити підсилювачем випромінювання, але для цього необхідний початковий ініціюючий вплив. Ініціатором процесу вимушеного випромінювання може бути зовнішній сигнал або один з квантів спонтанного випромінювання в самому середовищі. Значне посилення випромінювання може бути досягнуте, якщо вмістити активне середовище в систему двох дзеркал оптичного резонатора. Одне з дзеркал резонатора частково прозоре, що необхідно для виведення. У резонаторі випромінювання, розповсюджуючись майже суворо в напрямі його осі, багато разів відбивається від дзеркал і проходить середовище, що спричиняє посилення випромінювання.

Таким чином, для отримання вимушеного (лазерного) випромінювання необхідно мати:

– активне середовище лазера, в якому в процесі накачки може бути створений інверсний стан;

– систему накачки, що забезпечує досягнення інверсної населеності;

– оптичний резонатор, що призначений для посилення і формування направленого випромінювання.

Вимушене випромінювання лазера характеризується високою мірою монохроматичності, когерентністю і спрямованістю. Енергія лазерного випромінювання зосереджена у вузькому спектральному інтервалі, який досягає в граничному випадку нм (в газових лазерах). Розбіжність лазерного випромінювання характеризується плоским або тілесним кутом , в середовищі якого розповсюджується енергія або потужність випромінювання. Для лазерів деяких типів розбіжність не перевищує .

Найбільш поширені в цей час лазери можна розділити на групи за різними ознаками. На вигляд лазерної речовини лазери ділять на твердотільні, газові, напівпровідникові і рідинні. Лазери класифікують також і на вигляд накачки, яка може здійснюватися оптичним випромінюванням, електричним струмом, електронним пучком, за рахунок хімічних реакцій і іншими способами. За характером режиму роботи розрізнюють лазери, що працюють в безперервному і імпульсному режимах.

Властивості лазерів і можливість їх використання оцінюються енергетичними, спектральними, просторовими і тимчасовими характеристиками згідно з ГОСТ 15093 75.