Джерела і приймачі оптичного випромінювання (стр. 2 из 3)

Кіноапаратурні лампи призначені для використання у звукозаписній, звуковідтворюючій, проекційній і копіювальній апаратурі. Для малоформатних діапроекторів застосовують лампи марок До 127–100, До 127–300, К220–300, а для 8- і 16-міліметрових кінопроекторів К16–90, К16–90–1, К21–500. Докладні відомості про характеристики і габаритні розміри наводяться в каталогах.

ШтифтНердста – це джерело інфрачервоного випромінювання, яке широко використовується в спектрометрії і лабораторній практиці. Перевагою цього джерела є широкий спектр випромінювання і великий термін служби. Штифт являє собою циліндричний стержень (або трубку), спресований з тугоплавких оксидів: окисел цирконія (85%) з домішками оксидів рідкоземельних або інших елементів (15%). Довжина штифта біля 30 мм, діаметр 1–3 мм. Необхідне напруження постійного або змінного струму біля 100 В при амперажі 0,25–1 А. Для підведення струму служать платинові електроди. При температурі 1700 К штифт випромінює селективно в областях 1,6–2,4 і 5,5–6 мкм. У області понад 7 мкм його випромінювання можна вважати сірим.

Силитовийвипромінювач, що являє собою стержень з карбіду кремнію і званого іноді силитом або глобаром, широко застосовується як джерело інфрачервоного випромінювання середньохвильового діапазону. У залежності від призначення стержні виготовляють різних розмірів: найменші – діаметром 8 мм і довжиною 25 см, найбільші – діаметром 3,5 см і довжиною 1 м. Для нагрівання стержнів до них підводиться постійний або змінний струм з напруженням до 100 В. Звичайна робоча температура стержня 1250–1350 К.

Газорозрядні джерела. Випромінювання оптичного діапазону в джерелах цього типу виникає внаслідок електричного розряду в атмосфері інертних газів, пар металів або їх сумішей. Газорозрядні джерела характеризуються лінійчатим або смуговим спектром і називаються газорозрядними лампами. Стисло розглянемо деякі типи газорозрядних ламп.

Ртутні і ксенонові дугові лампивисокої інтенсивності є могутніми джерелами і придатні для систем телекомунікації, інфрачервоних прожекторів і маяків далекої дії. Вони складаються з масивних вольфрамових електродів, упаяних в товсту кварцову колбу, наповнену парами ртуті і ксенону при тиску біля 200 кПа. Додання ксенону скорочує час розгорання лампи. Спектр випромінювання цих ламп лежить у межах від ближньої ультрафіолетової до ближньої інфрачервоної області. Потужність ламп досягає 1 кВт при амперажі 50 А.

Цезієві дугові лампиволодіють сильним випромінюванням в найближчій інфрачервоній області спектра з смугами випромінювання при 0,852 і 0,894 мкм. До достоїнств цезієвих ламп, в яких випромінювачем є пари цезія, потрібно віднести великий термін служби і можливість модуляції на звукових частотах.

Цирконієві дугові лампимають дуже високу яскравість і широко використовуються в інфрачервоній мікроскопії. Особливістю цирконієвої лампи є одночасне випромінювання суцільного спектра (до 1 мкм) і лінійчатого (в області 0,75 0,85 мкм). Включається лампа вмить і в процесі роботи не вимагає регулювання. Випускається великий набір спектральних ламп типів ДРС50 (дугова ртутна спектральна типу 50), ДРШ, ДРТ, які знаходять широке застосування в світлотехніці, спектроскопії і т.д. Параметри і характеристики ламп визначаються ГОСТом.

Світлодіоди. У світлодіодах використовується явище електролюмінісценції, що виникає при пропущенні струму в прямому напрямі через

-перехід. Властивістю випромінювати в оптичному діапазоні спектра володіють деякі складні напівпровідникові з'єднання, основою яких є галій, миш'як, карбід кремнію, що служить початковим матеріалом для виготовлення світлодіодів. У цей час головними матеріалами для світлодіодів служать GaAs, GaP, GaAsP, GaInP. При подачі на -перехід прямого напруження (рис. 2) виникає інжекція неосновних носіїв заряду через перехід. Внаслідок їх подальшої рекомбінації з основними носіями виділяється енергія оптичного діапазону. Рекомбінаційне випромінювання в світлодіоді генерується в шарі, прилеглому до межі розділу -напівпровідників, і виводиться назовні звичайно через -область. Площа випромінюючої поверхні не перевищує декількох квадратних міліметрів. Схематичний пристрій світлодіода з плоскою і півсферичною випромінюючими поверхнями зображений на рис. 2. Для світлодіодів характерна висока щільність спектрально-енергетичної яскравості. Основна частина випромінювання доводиться на спектральний інтервал , шириною 40–100 нм. Довжина хвилі випромінювання визначається енергетичною шириною зон напівпровідника, частіше за все шириною забороненої зони ( ).

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

Тип	Назва і марка	Дов-жина хвилі гене-рації, нм	Режим роботи	Плос-кий кут ходи-мості	Потуж-ність або енергія генерації	Спеціальні дані
Газовий	Гелій-неоновийЛГ-38Азотний«Сигнал-2»	632,8337	БезперервнийОдномодовийІмпульснийDt=15 нс, f=220 Гц	1,83,0	50×10 ВтІмпульсна потужність(5¸10)×10 Вт	З автопідвод-кою дзеркал резонатораСпоживана потужність 0,3 кВт
Твердо-тільний	РубіновийГІР-100 МРубіновийИТ-84	694,3	Імпульснийf=1/180 ГцІмпульснийDt=0,5 нс, f=1 Гц	10,01,0(на виході теле-скопа)	100 Дж0,3–0,6 Дж	-Водяне охолоджування
Напів-провід-никовий	Промінь-3«Комета-1»	844840–860	Імпульснийf=(400–2000) ГцІмпульсний Dt=200 нс, f=(1–10) Гц)	--	10 Вт3 Вт	Охолоджу-вання рідким азотом-

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.