Широкополосные источники излучения

Физическое понятие когерентности представляет собой несколько согласованных по времени колебаний или волн, проявление которых наступает во время их сложения. Колебания считаются когерентными, когда их различные фазы имеют временное постоянство. Сумма колебаний имеет ту же частоту, как и каждое отдельное колебание. Таким образом, когерентные источники света работают на основе двух синусоидальных колебаний с одной и той же частотой.

К некогерентным источникам излучения относят различные лампы: галогенные, ксеноновые, ртутные, дейтериевые. Подобные лампы являются одним из основных элементов различных спектральных систем и лежат в основе солнечных симуляторов света.

К когерентным источникам излучения относятся генераторы суперконтинуума, захватывающие видимую область излучение.

Преимущества когерентных и некогерентных источников:

• Можно достичь максимальной освещенности маленьких объектов;
• Возможность отличного коллимирования пучков;
• Хорошо подходят для исследований в ультрафиолетовой и видимой области;
• Способны эмулировать солнечный свет;
• Простота и универсальность использования;
• Недорогая стоимость относительно комплекса из нескольких лазеров видимого диапазона.

Области применения:

• Измерение спектров флуоресценции;
• Измерение спектров отражения и поглощения;
• Системы для измерения фотовольтаических характеристик;
• Фотохимия и фотолитография;
• Измерение вольт-амперных характеристик и квантовой эффективности солнечных элементов.
• Тестирование детекторов и прочих полупроводниковых структур.
• Широкополосная спектроскопия во временном разрешении.
• Оптическая визуализация объектов и тканей.
• Плазмоника и метаматериалы.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» предлагает когерентные и некогерентные источники света для диапазона длин волн от 200 до 2500 нм, а также блоки питания и аксессуары для них.

Источник

Принцип действия некогерентных и когерентных источников излучения

В волоконно-оптических линиях передачи используются два вида источников оптического излучения: светодиоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ЛД). Рассмотрим их принцип действия.

Состояние электронов в полупроводнике характеризуется энергетическими зонами: верхняя — зона проводимости с энергией E_c и нижняя – зона валентных электронов с энергией E_υ (рис. 15.1). Между этими зонами находится так называемая запрещенная зона с энергией E_g .

Считается, что зона валентных электронов соответствует базовому (минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии почти все электроны находятся именно в этой зоне, то есть, сосредоточены и удерживаются в определенных местах кристаллической решетки полупроводника. Если к p—n-переходу полупроводника приложить напряжение смещения в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. Если количество добавляемой извне энергии значительно, то некоторые электроны, находящиеся на низком энергетическом уровне, приобретают добавочную энергию, переходят на более высокий уровень, то есть часть электронов, сконцентрированных в валентной зоне, переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут перемещаться внутри полупроводника. При этом в зоне валентных электронов на освобождающихся местах возникают положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны, сталкиваясь с узлами кристаллической решетки или другими электронами, “падают” в зону валентных электронов и пара “электрон-дырка” исчезает.

Если “падение” на нижний энергетический уровень или в зону валентных электронов происходит без соударения, в таких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде фотона. Подобный процесс излучения называется спонтанным излучением. Такое излучение возникает в светодиодах.

Частота определяется разностью энергетических уровней E_g= E_c — E_υ, то есть шириной запрещенной энергетической зоны:

, (15.1)

где — скорость света в вакууме; — длина волны; E_g и h — энергия и постоянная Планка.

Формула (15.1) называется частотным условием Бора. Интенсивность света зависит от числа пар “электрон-дырка”.

Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Но так как время переходов электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью, широкой диаграммой направленности, низкой интенсивностью, является некогерентным. Таким образом, для работы светодиода требуется активная среда и система накачки. Накачка осуществляется инжекционными токами.

В соответствии с законами квантовой механики в структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс так называемое индуцированное (вынужденное) излучение. Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости, падает свет с частотой , примерно равной частоте , определяемой по формуле (15.1), то возникает излучение с частотой и направлением падающего света. Причем первичный и вторичный фотон обладают одинаковыми квантовомеханическими характеристиками. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение. При вынужденном излучении происходит усиление излучения средой полупроводника (лавинообразное нарастание потока фотонов). Выноужденное излучение характеризуется высокой монохроматичностью, узкой направленностью, высокой интенсивностью, является когерентным. Для получения индуцированного излучения требуется активная среда, система накачки и система усиления.

По типу активной среды лазеры подразделяются на газовые, жидкостные, твердотельные, полупроводниковые. В системах передачи используются полупроводниковые лазеры.

Способы накачки также разнообразны: химические, оптические, инжекционные токи и другие.

Положительная обратная связь бывает двух типов: сосредоточенная и распределенная. Сосредоточенная обратная связь обеспечивается системой зеркал. В твердотельных и полупроводниковых лазерах роль зеркал выполняют полированные противоположные грани кристалла. Распределенная обратная связь обеспечивается решеткой из чередующихся областей с различными показателями преломления (обратная связь обеспечивается полным внутренним отражением от границ раздела таких областей).

Рассмотрим действие резонатора состоящего из 2-х параллельных плоских зеркал, одно из которых полупрозрачное (резонатор Фабри — Перо). Излучение возбужденных атомов активной среды многократно проходит между зеркалами резонатора. В результате в резонаторе формируется электромагнитное поле, представляющее собой набор стоячих волн. Из многих волн, возникающих в активной среде, усиливаться будут лишь те, длина волны которых на удвоенной длине резонатора (прямой и обратный проход) укладывается целое число раз. В этом случае прямая и обратная волна будет усиливаться в результате интерференции.

Длина волны λ из условия существования стоячих волн:

,

где L — длина резонатора, n — коэффициент преломления среды, N_z — число пересечений оси резонатора кривой распределения электрического поля моды.

Длина λ_n стоячей волны определяет тип колебаний резонатора (или моду). В резонаторе одновременно может возбуждаться много мод. Работу в узком диапазоне частот можно обеспечить, помещая внутрь резонатора селективный элемент, выделяющий одну из мод. Т.о., лазер является устройством, позволяющим сосредотачивать всю энергию излучения в конечном числе мод.

Оптический резонатор формирует и волновой фронт излучения. В результате многократного прохождения между зеркалами усиливаться будут только волны, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Эти волны вовлекают в процесс излучения частицы, расположенные на их пути. Поэтому излучение выходит из резонатора почти параллельным пучком, т.е. имеет почти плоский волновой фронт (является узконаправленным). Волны распространяющиеся под углом к оси, не доходят до зеркал и покидают активную среду, не получив усиления. Линейный угол расходимости θ лазерного луча определяется лишь дифракцией на зеркалах и находится из выражения:

,

где D — диаметр пучка внутри резонатора.

Благодаря малой угловой расходимости лазерного излучения оно может быть сфокусировано на очень малой площади, линейный размер которой ≈ λ.

Лазерный эффект возникает, если общие потери в структуре с обратной связью меньше, чем усиление.

Для возникновения колебаний в лазере надо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, необходимую для компенсации потерь в резонаторе и усиления оптического излучения. Минимальный необходимый для генерации коэффициент усиления S_min или так называемый пороговый коэффициент усиления, уравновешивающий потери α, выражается как:

.

Как уже отмечалось, в системах передачи используются полупроводниковые лазеры. Их основой является полупроводник объемом 1 мм 3 , с подведенными к нему металлическими электродами, выполненными из активного металла — арсенида галлия GaAs с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). Схема полупроводникового лазера изображена на рис. 15.2. Полупроводник содержит p—n-переход, через который при прямом напряжении смещения электроны инжектируют из n-области в p-область. В p-области происходит рекомбинация носителей (электронов и дырок) и освобождающаяся энергия излучается в виде света в диапазоне длин волн, определяемом составом полупроводникового материала.

В настоящее время в системах передачи в качестве источников оптического излучения, наряду с лазерами, применяется светоизлучающий диод, который представляет собой такой же полупроводник из арсенида галлия GaAs, но не имеет резонансного усиления.

Схема светодиода изображена на рис. 15.3. Все светодиоды можно разделить на две группы: с большой поверхностью излучения и низкой яркостью; с малой поверхностью и высокой яркостью.

По типу конструкций различают светодиоды с поверхностным излучателем и с боковым излучателем.

Источник

Источники оптического излучения

Источниками оптического излучения (другими словами — источниками света) являются многие естественные объекты, а также искусственно создаваемые приборы, в которых те или иные виды энергии превращаются в энергию электромагнитного излучения с длиной волны от 10 нм до 1 мм.

В природе такими, давно ставшими нам привычними, источниками являются: солнце, звезды, молнии и т. д. Что касается искусственных источников, то, в зависимости от того, что за процесс приводит к возникновению излучения, — вынужденный он или спонтанный, — можно выделить когерентные и некогерентные источники оптического излучения.

Когерентное и некогерентное излучение

Лазеры относятся к источникам когерентного оптического излучения. Их спектральная интенсивность очень велика, излучение отличается большой степенью направленности, характеризуется монохроматичностью, то есть длина волны у такого излучения постоянна.

Подавляющее же большинство источников оптического излучения — это источники некогерентные, излучение которых является результатом наложения друг на друга большого количества электромагнитных волн, испускаемых группой многих элементарных излучателей.

Искусственные источники оптического некогерентного излучения можно классифицировать по виду излучения, по роду энергии, преобразуемой в излучение, по способу преобразования данной энергии в свет, по назначению источника, по принадлежности к той или иной области спектра (инфракрасная, видимая или ультрафиолетовая), по виду конструкции, режиму использования и т. д.

Оптическое излучение имеет свои световые или энергетические характеристики. К фотометрическим характеристикам относятся: поток излучения, световой поток, сила света, яркость, светимость и т. д. Источники сплошного спектра различают по яркостной или цветовой температуре.

Порой важно знать создаваемую источником освещенность, либо какую-нибудь нестандартную характеристику, например такую как поток фотонов. Импульсные источники имеют определенную продолжительность действия и форму импульса излучения.

Световая отдача или спектральный коэффициент полезного действия определяют эффективность преобразования подаваемой к источнику энергии — в световую. Технические характеристики, такие как вводимая мощность и энергия, габариты светящегося тела, стойкость излучения, распределение света в пространстве и срок службы, — характеризуют искусственные источники оптического излучения.

Источники оптического излучения могут быть тепловыми с равновесно нагретым светящимся телом в конденсированном состоянии, а также люминесцирующими с неравномерно возбужденным телом в любом агрегатном состоянии. Особенная разновидность — плазменные источники, характер излучения у которых зависит от параметров плазмы и спектрального интервала, здесь излучение может быть или тепловым, или люминесцентным.

Тепловые источники оптического излучения отличаются сплошным спектром, их энергетические характеристики подчиняются законам теплового излучения, где главными параметрами выступают температура и коэффициент излучения светящегося тела.

При коэффициенте 1 излучение эквивалентно излучению абсолютно черного тела, близкому к Солнцу с его температурой в 6000 К. Искусственные тепловые источники нагреваются электрическим током либо энергией химической реакции горения.

Пламя горения газообразного, жидкого или твердого горючего вещества характеризуется сплошным спектром излучения с температурой достигающей 3000 К, благодаря наличию раскаленных твердых микрочастиц. Если такие частицы отсутствуют, спектр будет полосатым или линейчатым, свойственным продуктам горения в газообразном состоянии или химическим веществам, намеренно вводимым в пламя с целью проведения спектрального анализа.

Устройство и применение тепловых источников

Пиротехника сигнального или осветительного назначения, такая как ракеты, фейерверки и т. д., содержат спрессованные составы, включающие в себя горючее вещество с окислителем. Источники инфракрасного излучения обычно представляют собой керамические или металлические тела различных размеров и форм, которые нагреваются пламенем либо посредством каталитического сжигания газа.

Электрические излучатели инфракрасного спектра имеют вольфрамовые или нихромовые спирали, накаливаемые пропусканием через них тока, и размещаемые в теплостойких оболочках, либо сразу изготавливаемые в виде спиралей, стержней, лент, трубок, и т. д. — из тугоплавких металлов и сплавов, либо иных составов: графит, оксиды металлов, тугоплавкие карбиды. Излучатели такого рода применяют для обогрева помещений, в различных исследованиях и в промышленной тепловой обработке материалов.

Для инфракрасной спектроскопии применяют эталонные излучатели в форме стержней, такие как штифт Нернста и глобар, отличающиеся стабильной зависимостью коэффициента излучения от температуры в инфракрасной части спектра.

Метрологические измерения предполагают исследование излучений моделей абсолютно черных тел, у которых равновесное излучение зависит от температуры; такая модель представляет собой нагреваемую до температур до 3000 К полость из тугоплавкого материала определенной формы с небольшим входным отверстием.

Наиболее популярными тепловыми источниками излучения видимого спектра являются сегодня лампы накаливания. Они служат для целей освещения, сигнализации, в проекторах, прожекторах, кроме того выступают эталонами в фотометрии и пирометрии.

На современном рынке представлено более 500 типоразмеров ламп накаливания, начиная от миниатюрных, заканчивая мощными лампами для прожекторов. Тело накала, как правило, изготавливается в виде нити или спирали из вольфрама, и заключено в стеклянную колбу, заполненную либо инертным газом, либо вакуумом. Срок службы такой лампы обычно заканчивается перегоранием тела накала.

Лампы накаливания бывают галогенными, тогда колба заполняется ксеноном с добавлением йода или летучих соединений брома, обеспечивающих обратный перенос испаряющегося вольфрама с колбы — обратно на тело накала. Такие лампы способны служить до 2000 часов.

Вольфрамовая нить установлена здесь внутри кварцевой трубки, разогреваемой с целью поддержания галогенного цикла. Данные лампы работают в термографии и ксерографии, также их можно встретить практически везде, где служат обычные лампы накаливания.

У электродосветных ламп источником оптического излучения выступает электрод, а точнее — раскаленная область катода при дуговом разряде в наполненной аргоном колбе лампы или на открытом воздухе.

В люминесцирующих источниках оптического излучения, потоком фотонов, электронов или других частиц, либо прямым действием электрического поля, возбуждаются газы или люминофоры, становящиеся в данных обстоятельствах источниками света. Спектр излучения и оптические параметры определяются свойствами люминофоров, а также энергией воздействия возбуждения, напряженностью электрического поля и т. д.

Один из наиболее распространенных видов люминесценции — фотолюминесценция, при которой спектр излучения первичного источника преобразуется в видимый. Ультрафиолетовое излучение разряда падает на слой люминофора, а люминофор в данных условиях излучает видимый свет и ближний ультрафиолет.

Энергосберегающие лампы — это как раз компактные люминесцентные лампы на базе данного эффекта. Подобная лампа мощностью 20 Вт дает световой поток равный световому потоку от лампы накаливания мощностью 100 Вт.

Экраны с электронно-лучевыми трубками относятся к катодолюминесцентным источникам оптического излучения. Экран покрытый люминофором возбуждается пучком летящих к нему электронов.

В светодиодах используется принцип инжекционной электролюминесценции на полупроводниках. Данные источники оптического излучения изготавливаются в виде дискретных изделий с оптическими элементами. Они применяются в индикации, сигнализации, освещении.

Оптическое излучение при радиолюминесценции возбуждается действием распадающихся изотопов.

Хемилюминесценция — превращение в свет энергии химических реакций (см. также виды люминесценции).

Вспышки света в сцинтилляторах, возбуждаемые быстрыми частицами, переходное излучение, а также излучение Вавилова-Черенкова, используют для выявления движущихся заряженных частиц.

Плазменные источники оптического излучения отличаются линейчатым или сплошным спектром, а также энергетическими характеристиками, зависящими от температуры и давления плазмы, возникающей в электрическом разряде или при ином способе получения плазмы.

Параметры излучения варьируются в большом диапазоне в зависимости от подводимой мощности и состава вещества (см. также газоразрядные лампы, плазма). Параметры ограничиваются этой мощностью и стойкостью материалов. Импульсные источники плазмы обладают более высокими параметрами нежели непрерывные.

Источник