Источники излучения. Классификация. Область применения.

Источник излучения – один из важнейших элементов ОЭП. От правильного выбора источника во многом зависят технико-экономические параметры и характеристики всего прибора: дальность действия, чувствительность, точность, стабильность, надежность, габаритные размеры.

Классификация источников излучения по назначению:

1. Источники излучения, используемые для выполнения основной функции ОЭП, например, для измерения угловых или линейных перемещений различных объектов (это лампы накаливания, газоразрядные лампы, лазеры, светодиоды)

2. Эталонные и опорные источники излучения - для аттестации и калибровки ОЭП и их отдельных узлов (это модели черных, серых и белых тел, эталонные лампы).

3. Источники излучения для выполнения вспомогательных операций – сигнализации, индикации о работоспособности прибора и режимах его работы, подсветки шкал и марок, и т.д.

Общие требования, предъявляемые к источникам излучения: стабильность, миниатюрность, малая потребляемая мощность, достаточно большое быстродействие, возможность смещения спектральных характеристик в любую заданную часть рабочей области спектра, механическая прочность и технологичность.

При выборе конкретного источника излучения учитывают, прежде всего, заданный спектр, диапазон работы ОЭП. /Лампы накаливания используют, когда необходимо получить сплошной спектр излучения в диапазоне 0,4-2,5 мкм, газоразрядные лампы - в видимой, УФ и ИК области. Лазеры, диоды – в приборах с узким спектром излучения./

Лампы накаливания. Использование ламп накаливания в качестве источников излучения в ОЭП обусловлено относительной стабильностью их параметров, легкостью регулирования яркости, низкой стоимостью и простотой изготовления, большой номенклатурой ламп различных габаритов и мощности, достаточно большим сроком службы, высокой надежностью.

Лампы накаливания представляют собой вакуумированный баллон с вольфрамовой нитью накаливания. Они имеют широкий спектр излучения, который в основном лежит в видимой и в ИК области, сравнительно инерционны и не позволяют работать на частотах выше 10-20 Гц. Временная стабильность параметров низкая. В лампах накаливания достигаются высокие уровни освещенности. Они являются дискретными элементами. Плохо сочетаются с транзисторными и интегральными схемами. В качестве излучателей в настоящее время используются миниатюрные лампочки, например, НСМ-9, НСМ-25. Особую группу ламп накаливания составляют галогенные лампы.

Достоинства галогенных ламп:

большая стабильность потока во времени, отсутствие потемнения колбы, и поэтому большая стабильность спектрального состава излучения, увеличенный срок службы, меньшие габаритные размеры и масса при одинаковых мощностях с обычными лампами, меньшая чувствительность к вибрациям. Основной недостаток этих излучателей - больший, чем у ламп накаливания разброс энергетических параметров, а также недостаточная мощность для ОЭП.

Лампы накаливания достаточно широко используются в низкочастотных оптоэлектронных цепях, несмотря на их существенные недостатки.

В интегральной оптоэлектронике преимущественно применяют источники излучения, основанные на явлении люминесценции в полупроводниковых материалах. Наиболее перспективны излучатели, в которых люминесценцию вызывает электрическое поле или ток.

Электролюминесцентный излучатель (рисунок 2.1) представляет собой специальный конденсатор, между обкладками (электродами) которого располагается люминофор, размещенный в слое диэлектрика. Один электрод прозрачный (SnO₂, In₂O₃, GdO и другие оксиды металлов), второй - непрозрачный. В качестве электролюминофоров используют фосфоры, среди которых особое место занимают соединения цинка и кадмия с серой и селеном: ZnS, ZnSe, ZnSSe, а также GaAs-GaP, GaAs-AlAs и другие.

Рисунок 2.1 -Электролюминесцентный излучающий диод

Электролюминофорами называют полупроводники с большой запрещенной зоной и примесями, обеспечивающими образование в кристаллической решетке центров люминесценции. При приложении к кристаллу люминофора напряжения в нем образуется пространственный заряд, который уменьшается по мере проникновения поля внутрь кристалла. Электроны, попадая в область сильного поля этого заряда, приобретают энергию, достаточную для ионизации центров люминесценции. В результате ионизации образуются электроны и дырки, способные рекомбинировать, излучая при этом свет. Излучение происходит в видимой или ультрафиолетовой частях спектра.

Электролюминесцентные конденсаторы имеют постоянные времени 0,1…1 мс, отличаются низкой стабильностью параметров, значительной инерционностью (время разгорания и затухания примерно 10^-3…10^-4 с), могут работать при постоянном и переменном напряжении электропитания.

Области применения таких конденсаторов - усилители и преобразователи излучения с большим коэффициентом усиления, малогабаритные индикаторные экраны и табло, логические элементы и низкочастотные цепи. Невысокая яркость свечения, малый ресурс, нестабильность параметров и довольно низкое быстродействие ограничивают применение электролюминесцентных конденсаторов в оптоэлектронике.

Инжекционные светодиоды

Инжекционные светодиоды также относятся к электролюминесцентным источникам света, которые в отличие от электролюминесцентных конденсаторов являются токовыми приборами, питать и управлять которыми необходимо с помощью источников тока.

Принцип работы излучающих светодиодов основан на излучательной рекомбинации в объеме активной области р-n–перехода, которая наблюдается при смещении перехода в прямом направлении.

При инжекции неосновных носителей заряда под действием прямого напряжения p-n-переход испускает электромагнитные волны в видимом и инфракрасном диапазоне. Светодиод представляет собой многослойную полупроводниковую структуру (рисунок 2.2), в которой индуцируемое при прохождении тока через р-n-переход некогерентное излучение распространяется во всех направлениях. Обычно используют излучение, выходящее ортогонально p-n- переходу, т.е. в активной зоне.

Рисунок 2.2 - Структура светодиода

Прохождение тока через p-n-переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Состояние полупроводника характеризуется наличием в зоне проводимости значительного количества электронов, а в валентной зоне - большого количества дырок, не является достаточно устойчивым, и поэтому наблюдается непрерывный переход электронов из зоны проводимости в валентную зону. Рекомбинация происходит в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами L_n и L_p. Этот процесс в большинстве полупроводников осуществляется через примесные центры (ловушки), расположенные вблизи середины запрещенной зоны, и является безызлучательным. В процессе каждой такой рекомбинации выделяется энергия в виде тепловой энергии (фонона), которая передается атомам решетки. Процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света – фотона, когдапереход из зоны проводимости в валентную зону относится к числу переходов типа зона - зона. При этом примесные центры не играют существенной роли и при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное свечение люминесценции. Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону (рисунок 2.3). При этом следует отметить, что фотоны с энергией, большей ∆Е + 2∂Е, в основном поглощаются, переведя электроны из валентной зоны в зону проводимости.

Рисунок 2.3 - Энергетическая диаграмма, поясняющая механизм действия инжекционного светодиода:

I— зона проводимости; II— запрещенная зона; III— валентная зона

Следовательно, излучение возможно только в узком диапазоне частот, соответствующем энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра, обусловленной ∂Е. В современных светодиодах широко используются полупроводники, вкоторых в создании излучения существенную роль играют примесные центры. По существу, это ловушки, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне. Возможны следующие механизмы излучательной рекомбинации: носитель заряда захватывается своим примесным центром (электрон - акцепторным, дырка - донорным), а затем он рекомбинирует со свободным носителем заряда противоположного знака; электрон и дырка захватываются примесным центром, так что зона вблизи его оказывается в возбужденном состоянии (образуется связанный экситон), после чего осуществляется рекомбинация и пр.

Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p-n-переходом. При этом для получения приемлемых значений необходимо обеспечить значительную плотность тока, протекающего через переход (не менее 30 А/см²).

Параметры и характеристики светодиодов:

Сила света I_v - световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении; выражается в канделах (обычно 0,1...10 мкд).

Цвет свечения или длина волны излучения λ_изл.

Постоянное прямое напряжение U_п - падение напряжения при заданном токе (2...4 В).

Угол излучения α - плоский угол, в пределах которого сила света составляет не менее половины ее максимального значения.

Так как полупроводник покидает часть фотонов, остальные же сначала отражаются от поверхности, а затем поглощаются в объеме полупроводника, то вводят понятие квантовой эффективности излучения. Внешней квантовой эффективностью излучения, или квантовым выходом, называется отношение числа излученных во внешнее пространство фотонов к числу неосновных зарядов, инжектированных через p-n-переход. Обычно значение квантового выхода составляет 0,1...30%.

Излучение светодиодов складывается из волн, посылаемых спонтанно рекомбинируемыми частицами независимо друг от друга, и вследствие этого имеет хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны. Источник генерирует естественное излучение, обладающее довольно широким спектром с типичным значением ∆λ=30 нм (рисунок 2.4,а).

Основная характеристика инжекционного светодиода - люкс-амперная (рисунок 2.4,б). Она имеет нелинейный начальный участок, характеризуемый низкими выходными яркостями, и практически линейный участок, в пределах которого яркость изменяется в 10...100 раз. Этот участок чаще всего и используется в качестве рабочего. При токе I≈100 мА мощность излучения светодиода составляет единицы ватт.

Рисунок 2.4 – Характеристики светодиода:

а) спектральная, б) люкс-амперная,

в) вольтамперная

Вольтамперная характеристика светодиодов (рисунок 2.4,в), определяющая их электрические параметры, является характеристикой полупроводникового диода, на рабочем участке при u>U ее можно заменить линейной зависимостью u ≈ U+ri с наклоном r ≈ 1…10 Ом. Это приводит к линейной управляющей характеристике светодиода на рабочем участке.

Цвет свечения светодиода зависит от материала светодиодов и состава легирующих примесей. В качестве его используют арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. В настоящее время светодиоды различных типов позволяют перекрыть диапазон длин волн излучения от 366 до 950 нм и более. Примесные центры из ZnO обеспечивают получение красного свечения, из азота N - зеленое, из ZnO и N - желтое и оранжевое и т. д.

Возможно создание светодиодов, которые в зависимости от их включения или режима работы будут излучать в различных областях спектра и иметь управляемый цвет свечения. При этом используются или зависимость интенсивности отдельных частот излучения от тока р-n-перехода, или смешение излучений двух светодиодов, имеющих свечение разного цвета.

В первом случае изменение цвета происходит из-за того, что в составе излучения р-n-перехода имеется несколько световых полос, яркость которых неодинаково изменяется при изменениях протекающего тока. При их смешивании получается результирующее излучение, цвет которого зависит от значений яркости отдельных полос.

Во втором случае, который получил преимущественное распространение, используются двухпереходные структуры GaP (рисунок 2.5,а). На кристалле фосфида галлия созданы два p-n-перехода. Примеси подобраны так, что один p-n-переход излучает свет красного, а другой зеленого цвета. При их смешивании получается желтый цвет. В структуре имеется три вывода, что позволяет через каждый p-n-переход пропустить свое значение тока (рисунок 2.5,б). Изменяя токи переходов, удается менять цвет излучения от желто-зеленого до красно-желтого оттенка, а также получить чистые красный и зеленый цвета.

Рисунок 2.5 - а) Структура светодиода с управляемым цветом свечения;

б) его принципиальная схема

Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные (сверхяркие) диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами. Они обычно представляют собой конструкции, работающие на том участке вольт-амперной характеристики, на котором наблюдается оптическое усиление (стимулированное излучение). Этот участок характеризуется тем, что внешний квантовый выход на нем существенно больше, чем у обычного светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока (при мощности излучения 60 мВт плотность тока 3 кА/см²). Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.

Для светодиодов характерны спонтанное излучение, складывающееся из волн, посылаемых различными частицами независимо друг от друга, и хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны.

Лазеры

В ряде случаев в качестве управляемых источников, света применяют инжекционные лазеры. Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является когерентным. Лазеры имеют относительно высокий КПД и большое быстродействие.

Слово лазер происходит от английского laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света вынужденным излучением). Если во всех традиционных источниках света используется спонтанное излучение системы возбужденных атомов, то в лазерах все атомы когерентно излучают кванты света, тождественно равные между собой по частоте, направлению распространения и поляризации.

Эйнштейн открыл явление вынужденного излучения более 90 лет назад, однако лазеры появились не сразу, а только тогда, когда стало ясно, что любой усилитель в радиоэлектронике входит в режим генерации, если в системе создается положительная обратная связь.

В тот момент, когда впервые догадались поместить возбужденную квантовую систему с инверсной населенностью уровней в резонатор Фабри-Перо, создающий положительную обратную связь в системе, родился лазер. Первый лазер был создан в 1960 году. В качестве активного вещества использовался кристалл рубина.