Диссертация (1097819), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Исследования характеристик датчиков на основе 2 проведены в спектральныхдиапазонах 600 ÷ 650 нм и в интервале температур 273 ÷ 450 К. Источникоммонохроматического излучения служили монохроматор МДР — 23 и − — одномодовый лазер. Измерения проведены при разных углах между главными направлениями поляризатора и анализатора . На рис.
5.29 представлены зависимости интенсивности света от времени на разных длинах волн послевключения (А) и выключения (В) нагревателя кристалла 2 . Температурныйперепад при всех измерениях составлял 11.6.Чувствительность датчиков определялась по формуле:=1 , (5.10)где — интенсивность проходящего света, — температура кристалла.В соответствии с оптическим законом Малюса интенсивность света прошедшего через систему анализатор — поляризатор от угла между главныминаправлениями элементов описывается зависимостью: = · cos2 ( ),(5.11)299где — интенсивность света падающего на кристалл.Пластинка из гиротропного материала, помещенная между поляризатором ианализатором вносит дополнительный фазовый сдвиг и затухание.
Излучениена выходе пластинки является эллиптически поляризованным. В этом случае:(5.12) = · · cos2 (),где — коэффициент пропускания пластинки, = ± , = · − , —реальная часть комплексного оптического вращения, — толщина кристалла, = 0,1,2,..., — фазовое слагаемое, дополнительно сдвигающее плоскостьполяризации световой волны к фазовому сдвигу . Если угол отсчитываетсяпротив часовой стрелки, знак «+» перед обозначает, что кристалл вращаетплоскость поляризации света влево, знак «—» — вправо.Рассмотрим два случая, когдаинтерференция имеет место (тонкие кристаллы с плоскопараллельными поверхностями или толстыекристаллы со сколотыми поверхностями и когерентный свет) и когда интерференция не проявляется (в сколотых пластинках 2 и2 интерференция проявляетсядо толщин ∼ 1 мм). Тогда [283]:Рисунок 5.30: Экспериментальная зависимостьчувствительности датчика температуры( = 765 мкм).на21 + ( · /4 )2 = (1 − ) · ·.
− 2 · −·(5.13)2В области прозрачности кристаллов и когда интерференция проявляется:1 + ( · /4 )2. = (1 − ) ·1 + 2 − 2 · · cos(4 /)2(5.14)В области длин волн, где поглощение света становится существенным:1 + ( · /4 )2 = (1 − ) · ,( − − )2 + 4 · · sin2 ( + )2(5.15)300где = 2 /, =·2 +(/4 2 )2 , = · /2, — коэффициент отражения света, — коэффициент поглощения света, — показатель поглощения кристалла.Применение этих формул в гиротропных материалах не совсем корректно впоглощающих средах [102, 284].Чувствительность датчика температуры на основе гиротропных кристалловпри отсутствии интерференции определяется по формулам (5.10), (5.16) (температурной зависимостью и интерференционными явлениями пренебрежем):[︂(1 − )2 = − ± sin (2) · + ··− − 2 · −· 4 (︃]︃)︂2 )︃⧸︂(︂(︀)︀(︀)︀··1+· − 2 · −· · + 2 · −·(5.16)402Учитывая непрямозонный характер переходов в области края фундаментального поглощения света в 2 и 2 [4, 284], для коэффициента поглощения запишем [283]:ℎ − + ℎ )2, =·ℎ(exp (ℎ / ) − 1)ℎ − − ℎ )2+ =·ℎ(1 − exp (ℎ / ))−(5.17)(5.18)на участках с поглощением и испусканием фононов соответственно.
В этих выражениях — слабо зависящая от температуры величина. В дифосфиде кадмия при комнатной температуре в интервалах длин волн 636 ÷ 620 и 620 ÷ 600нм переходы происходят с поглощением фононов с ℎ = 30 мэВ и 13 мэВсоответственно, при длинах волн < 600 нм — с испусканием фононов.В исследуемом интервале температур воспользуемся линейной аппроксимацией зависимостей , , от температуры: ⃒⃒ = 0 +·( − 0 ),⃒ =0 ⃒⃒ = 0 +·( − 0 ),⃒ =0 ⃒⃒ = 0 +·( − 0 ).⃒ =0(5.19)(5.20)(5.21)301Рисунок 5.31: Зависимости чувствительности от толщины кристалладлинах волн,нм: 1 —627,2 —628,3 —629,4 —6302(А) и на длине волныугле между поляризатором и анализаторомпри оптимальном угле на = 629нм при постоянном45°.Величины температурных коэффициентов / , / , / приведеныв работах [89, 97, 103].Экспериментальные исследования (рис.
5.30) и теоретический анализ в зависимости от длины волны, температуры, толщины и других параметров кристалла показывает, что чувствительность датчика температуры определяется восновном температурными зависимостями коэффициента поглощения света иудельного вращения плоскости поляризации света.Чувствительность датчиков температуры растет с уменьшением длины волны в области края фундаментального поглощения света, причем влияние гиротропии является незначительным. В области длин волн > 650 нм чувствительность незначительно растет с увеличением длины волны света и можетиметь положительный или отрицательный знак в зависимости от угла и отзнака вращения плоскости поляризации кристаллом.В области длин волн < 635 нм увеличивается по абсолютной величинес ростом толщины кристалла, затем уменьшается, стремясь к небольшой положительной или отрицательной величине в зависимости от угла .
С уменьшением длины волны максимум чувствительности сдвигается в область в областьменьших толщин. Для длин волн > 635 нм чувствительность практическипропорционально растет при увеличении толщины кристалла, знак чувстви-302Рисунок 5.32: Зависимости чувствительности от толщины кристалла2при оптимальном угле3) и постоянном угле (4, 5, 6) между поляризатором и анализатором на длинах волн—689;3, 6 —,нм: 1, 4 —45°(1, 2,656; 2, 5730.тельности определяется типом кристалла (левый, правый) и начальным угломмежду анализатором и поляризатором.Температурная зависимость имеет максимум в области низких температур,затем быстро уменьшается с ростом температуры для коротких длин волн имало меняется в области больших длин волн.Анализ экспериментальных результатов и расчеты по известнымтермическим коэффициентам кристалла показывают, что влияние эффектов линейного расширения и фазовых переходов в дифосфиде кадмия на температурные характеристики чувствительности датчиковмалы.Анализ выражения (5.16) в завиРисунок 5.33: Зависимости чувствительности оттемпературы кристалладлинах волн,нм: 1 —2 при оптимальном угле на627, 2 — 628, 3 — 629, 4 — 631.симости от длины волны, температуры, толщины и других параметровкристалла показывает, что чувстви-тельность датчика температуры определяется температурной зависимостью ко-303эффициента поглощения света и температурной зависимостью удельного вращения плоскости поляризации света.
Для кристаллов 2 толщиной более0.1 мм чувствительность определяется температурным смещениям края поглощения при длинах волн < 635 нм. При больших длинах волн определяется температурной зависимостью . Не смотря на существенный рост удельноговращения плоскости поляризации света в области края поглощения, первыймеханизм является доминирующим и в этом случае датчик ничем не отличается от датчиков температуры сорбционного типа на других непрямозонныхполупроводниках.При определении чувствительности датчиков в случае, когда источником света служил − — лазер, обнаружено, что интенсивность прошедшего света с ростом температуры имеет осциллирующий характер (рис.
5.35). Размахосцилляций растет с уменьшением толщины кристалла и составляет 5% и 75%при толщинах кристалла 765 и 240 мкм соответственно. Если чувствительностьопределять по интерференционной картине, то ее величина возрастает болеечем в 100 раз. Для некогерентного света на длине волны лазера составляет0.5%, а для лазерного света — 53.2% при толщине кристалла 240 мкм.Анализ экспериментальных результатов и расчеты по известным термическим коэффициентам кристалла показывают, что влияние эффектов линейногорасширения и фазовых переходов на температурные характеристики чувствительности датчиков малы.Из выше изложенного следует, что полупроводниковые свойства и высокаятемпературная чувствительность оптических характеристик 2 и 2 создают возможность использования датчиков на его основе для прецизионногоконтроля и поддержания температуры в системах автоматического регулирования.5.10.2 Модуляторы света и преобразователи частоты сигналов на тетрагональных кристаллах дифосфидов и диарсенидов цинка и кадмия.На рис.
5.34 показана схема оптического модулятора или генератора оптических колебаний.304Рисунок 5.34: Схема оптического модулятора или датчика температуры.Свет от лазера проходит через систему поляризатор, сколотая тонкая пластинка из гиротропного полупроводника, анализатор и падает на фотоприемник. Сигнал с фотоприемника, пропорциональный интенсивности света, усиливается и подается в блок задания рабочей точки , ограничения амплитудыи формирования обратной связи. Сигнал с блока управления режимом работы подается на усилитель мощности, к выходу которого подключены контактыкристалла.
Если в некоторый момент времени температура кристалла соответствует (рис. 5.35), включение напряжения к кристаллу приводит к его нагреву. При этом интенсивность света и сигнал с фотоприемника растут. По цепиобратной связи сигнал уменьшает напряжение на кристалле, что приводит куменьшению температуры. Уменьшение температуры приводит к уменьшениюпропускания и процесс повторяется. При противоположной полярности сигналапроцесс может быть реализован не на подъеме интенсивности при росте температуры, а при понижении (на спуске). Задача цепей ограничения не допуститьизменения температуры за пределы ÷ . Цепи установки режима —задание рабочей точки в окрестностях любого экстремума ( , ).В этой схеме возможны режимы модуляции интенсивности света и преобразования частоты.
В режиме модуляции света на электроды кристалла подается модулирующее напряжение с некоторой частотой и амплитудой , непревышающей величин для нагрева кристалла в интервале ÷ . Дляпредотвращения перескока интенсивности за пределы этого интервала необхо-305дима стабилизация температуры . Температура кристалла поддерживаетсяпостоянной путем термостатирования или его нагревом постоянным током дотемпературы выше окружающей среды.Режим умножения частотысигнала с произвольным коэффициентом умножения реализуется подачей переменного напряжения на кристалл самплитудой допускающей егоразогрев в интервале большем ÷ . Интервал изменения температуры определяетсяРисунок 5.35: Осцилляции выходного сигнала оттемпературы датчиков на дифосфиде кадмия.амплитудой и формой напряжения на кристалле и может за-хватывать от 1 до периодов осцилляций света. Сигнал умноженной частотыв этом случае снимается с фотоприемного устройства (ФПУ).
Источник излучения, кристалл, ФПУ, схемы задания режима и усиления могут быть интегрированы в одно устройство.306Заключение.В диссертационной работе получены следующие основные результаты.1. Разработана технология синтеза и получения высококачественных нелегированных и легированных кристаллов группы 2 5 . Созданы установкидля синтеза и получения монокристаллов в объемах, близких к промышленным (синтезировалось 300÷500 г. вещества). Получены нелегированныеи легированные монокристаллы группы 2 5 высокого качества. Разработана технология получения омических и выпрямляющих контактов к кристаллам 2 5 , технология получения − переходов и гетеропереходовна основе этих соединений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
