Источники и приемники оптического излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.3 (075)

ТарГУ им. М.Х Дулати

ИСТОЧНИКИ И ПРЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Ескулова С.Ш.

Карнакова Г.Ж.

Источники излучения и промежуточная среда. В зависимости от задач, решаемых конкретной оптико-электронной системой, источник излучения может являться объектом наблюдения (целью) или фоном. Если иметь в виду физическую природу излучения источника, то следует прежде всего различать собственное и отраженное излучение. Однако наиболее часто классифицируют источники излучения по таким признакам, которые позволяют отнести их к одной из двух больших групп естественным и искусственным источникам излучения. К искусственным источникам излучения, используемым в активных системах (источники подсветки), относятся лампы накаливания, газоразрядные и дуговые лампы, пиротехнические источники излучения и оптические квантовые генераторы (лазеры). Эталонными источниками излучения наиболее часто являются модели абсолютно черного тела, в качестве которых могут использоваться либо специально обработанные поверхности и покрытия, либо полые излучатели. Функции эталонных источников выполняют также различные лампы и оптические квантовые генераторы, применяемые при калибровке приборов и имитации излучения фонов и целей.

К наземным естественным и искусственным источникам излучения можно отнести деревья, кусты, камни, землю, воду, песок, здания, транспортные средства, людей, животных и т. д. В атмосфере Земли существуют такие источники излучения, как атмосферные газы, пары воды, облака, пыль, полярные сияния, двигатели и обшивка самолетов, ракеты и др. Космическими источниками излучения являются Солнце, Луна, планеты, звезды, туманности, искусственные спутники Земли (ИСЗ), ракеты, космическая пыль . Отдельные детали и узлы аппаратуры могут излучать значительное количество энергии, воспринимаемой приемником. К ним относятся элементы объектива - линзы и зеркала, а также защитные окна и обтекатели. Эти источники излучения называются аппаратурными. Между источниками излучения и прибором всегда существует некоторая среда, в которой происходит ослабление энергии за счет поглощения и рассеяния. Большей частью поглощающей и рассеивающей средой является земная атмосфера, в которой происходит поглощение излучения молекулами воды, углекислого газа и озона, а рассеяние связано с наличием скопления молекул атмосферных газов, частиц пыли и капелек воды. Оптическая система. Поток излучения от его источников (цели и фона) после прохождения через ослабляющую среду воспринимается оптической системой оптико-электронного прибора, которая состоит из различного рода комбинаций защитных стекол, линз, зеркал, призм, диафрагм, щелей, фильтров, решеток и выполняет две главные функции. Первая функция состоит в том, чтобы собрать возможно больший поток приходящего излучения и с минимальными потерями направить его на приемник. Вторая функция оптической системы заключается в оптической фильтрации приходящего сигнала, с целью увеличения отношения величины сигнала к шуму фона.

Различают два вида оптической фильтрации - спектральную и пространственную. оптический фильтрация приемник излучение

Спектральная фильтрация осуществляется с помощью оптических фильтров (абсорбционных, дисперсионных, отражающих и интерференционных, т. е. оптических материалов -- стекол и кристаллов, а также диэлектрических и металлических покрытий, нанесенных на оптические материалы и имеет целью ограничить излучение, падающее на приемник, определенным интервалом длин волн. Фильтры могут ограничивать спектральный диапазон пропускания с одной стороны, «отрезая» коротковолновое или длинноволновое излучение, или с двух сторон, выделяя определенную полосу.

Пространственная фильтрация осуществляется пространственными фильтрами -диафрагмами, щелями, растрами и служит для выделения излучения цели из излучения фона за счет отличия геометрических размеров и формы соответствующих целей от элементов фона.

Приемники излучения (определение и классификация) .Приемник излучения является основным элементом оптико-электронного прибора. По существу, само название приборов - оптико-электронные обязано свойству приемника преобразовывать поток излучения в электрический сигнал.

Существуют различные определения приемника излучения, однако все они отражают главное свойство приемника - способность обнаруживать наличие излучения путем преобразования его в энергию других видов для последующей регистрации. В иностранной технической литературе это свойство приемника излучения находит выражение в названии - детектор, т. е. обнаружитель.

Таким образом, приемник излучения - представляет собой устройство, служащее для восприятия энергии излучения и преобразования ее в энергию других видов с целью последующей регистрации результата этого преобразования, приводящей к обнаружению. Процесс обнаружения излучения состоит из двух основных этапов: преобразования энергии оптического излучения в другой вид энергии и регистрации преобразованной энергии. Например, в термоэлементе поток излучения вызывает появление электродвижущей силы, которая регистрируется обычным образом (гальванометром); в эвапорографе энергия излучения поглощается и вызывает нагрев и испарение масляной пленки, изменение толщины которой регистрируется интерференционными методами и т. д.

Приемники излучения могут классифицироваться по следующим признакам:

- виду энергии, в которую преобразуется излучение;

- характеру изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения;

- области спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение;

- рабочей температуре чувствительного слоя.

По виду энергии, в которую преобразуется энергия оптического излучения, приемники оптического излучения подразделяют на:

- тепловые (напр., болометры),

- фотоэлектрические (фоторезистор),

- механические (пондеромоторные),

- фотохимические (фотослои).

Приемники оптического излучения бывают неселективные (чувствительность слабо зависит от длины волны) и селективные (спектральная характеристика имеет четко выраженный max и min. Имеется множество различных устройств, которые способны преобразовывать электронные сигналы в световое излучение и наоборот, что необходимо для дальнейшего их применения в волоконно-оптических телекоммуникационных системах. Но, в настоящее время, только два типа таких устройств: светодиоды и инжекционные лазеры, вырабатывают излучение, которое действительно пригодно для использования в волоконно-оптических линиях. Устройства обоих типов представляют собой полупроводниковые диоды с переходами на основе соединений элементов третьей и пятой групп периодической таблицы (например, арсенид галлия или фосфид индия).

Светоизлучающие диоды диоды характеризуются большим сроком службы, меньшим временным дрейфом параметров, большей линейностью и меньшей температурной зависимостью излучаемой мощности, низкой стоимостью и простотой эксплуатации.

Излучение возникает в процессе рекомбинации носителей заряда, которые образуются при прохождении тока через диод. Поскольку, оно имеет спонтанный характер, который определяется случайными характеристиками, можно использовать только модуляцию по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт, ширина спектра - до 200 нм, а ширина диаграммы направленности (ширина пучка) - до 120°. Для достижения максимальной эффективности было идеально, если бы все излучение от источника поступало в линию. Для светодиодов потери мощности при переходе в линию составляют 10 дБ. Кроме того, поскольку излучение - не когерентное, то есть оно происходит в некотором спектральном диапазоне, будет происходить дополнительное искажение передаваемого сигнала (уширение импульсов), за счет различий в распространении разных спектральных составляющих.

Понятно, что не плохо было бы добиться сужения пучка излучения и его спектра. Направленность излучения можно улучшить путем применения линз.

Суперлюминисцентные светодиоды. Наиболее оптимальное решение для светоизлучающих диодов реализовано в суперлюминисцентных светодиодах, в которых происходит усиление спонтанного излучения за счет волноводного распространения вдоль p-n перехода. Пучок их излучения - уже, до 30°, а спектр - 20-80 нм. Эти диоды занимают промежуточное положение между обычными светодиодами и лазерными.

Лазерные диоды Излучение лазера имеет вынужденную природу, оно образуется, когда падающий фотон вызывает переход электронов со второго энергетического уровня, на котором предварительно была сформирована инверсная заселенность, на первый. При этом выделяются фотоны излучения, направленного в одну сторону с одинаковыми длиной волны и поляризацией, то есть образуется когерентное излучение.

При наличии отражающих торцов или других оптических резонаторов.

Вынужденное излучение лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей мощностью до нескольких сотен милливатт, минимальной шириной спектра и очень узкой направленностью.

Поскольку лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками, то они уступают в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости. Это определяет их преимущественное применение для осуществления передачи на дальние расстояния в магистральных линиях.

Фотодиоды. Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность приемника - намного больше сечения световода, потери при переходе излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от источника в линию. Для приема излучения могут использоваться фотодиоды. Это - полупроводниковые приборы на основе кремния, германия и соединений элементов третьей и пятой групп. В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока.

Фототранзисторы. Эти полупроводниковые приборы также строятся на основе кремния, германия и соединений элементов третьей и пятой групп. Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее усиление, но, из-за большой барьерной емкости, время отклика у них большое, то есть частотные характеристики хуже. Граничная частота для лучших образцов достигает 200 МГц. p-i-n фотодиоды В p-i-n фотодиодах между слоями с разной проводимостью вводится слой с собственной проводимостью (i область), который при подаче обратного напряжения смещения обедняется свободными носителями, и сильное электрическое поле в нем будет ускорять носители, которые будут образовываться в результате поглощения света. Они обладают большей чувствительностью за счет снижения потерь от рекомбинации. Барьерная емкость - мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота - до 1 ГГц). Для них требуется не большое напряжение обратного смещения (5 В и меньше), что определяет их преимущественное использование в ЛВС и других оконечных устройствах.

Лавинные фотодиоды

Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются от p-i-n фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них образуется сильное ускоряющее поле, в котором происходит лавинное размножение носителей, то есть усиление фототока. эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако, их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала.

Литература

1. Мак-Вейг Д. Применение солнечной энергии.-М:Энергоатомиздат. 1981 г.

2. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии.- М.: Энергоатомиздат, 1990. - 389 с.

3. Тлеуов А.Х., Тлеуов Т.Х. Использование нетрадиционных видов энергии в Казахстане. - Алматы, Бiлiм, 1998.

Размещено на Allbest.ru