Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Активная среда: свойства и способы накачки

В полупроводнике энергетических уровней как таковых нет, но есть широкие зоны: валентная зона и зона проводимости, разделенные запрещенной зоной (рис. 4). В нормальном состоянии в зоне проводимости электронов нет, если приложить энергию, то электрон может прейти в зону проводимости, при этом в валентной зоне образуется дырка на месте ушедшего электрона. Далее дырки стремятся к потолку валентной зоны, а электроны стремятся опуститься на дно зоны проводимости. Через некоторое время электроны опускаются и рекомбинируют с дырками. При рекомбинации выделяется квант электромагнитной энергии.

Рисунок 4. Расположение зон в чистом полупроводнике.

Если в чистый полупроводник добавить примесь, то возникают донорные или акцепторные уровни (в зависимости от типа примеси.) Если электроны являются донорами, то это полупроводник n – типа, а если электроны являются акцепторами, то это полупроводник р – типа. И если их соединить, то через некоторое время наступит равновесное состояние (рис.5).

Инжекционный метод накачки полупроводникового лазера.

В любом полупроводнике энергетические уровни могут заполняться электронами за счет введения донорных или акцепторных примесей, при этом концентрация атомов примесей должна быть достаточно высока – 1017-1018 1/см3. Однако введение примесей не приводит к созданию инверсной заселенности ни между зонами, ни внутри них. Избыточные носители (электроны) в зоне проводимости находятся в тепловом равновесии с дырками донорных уровней. Аналогично избыточные дырки в валентной зоне уравновешиваются электронами, находящимися на акцепторном уровне. Особое положение имеет место в случае использования полупроводника с p-n переходом. В кристалле такого полупроводника n – область имеет избыток электронов, а р – область – избыток дырок. Но эти области разделены p-n переходом, потенциальный барьер которого не позволяет электронам и дыркам встретиться и рекомбинировать друг с другом. Равновесное состояние такого полупроводника показано на рис. 6а.

Рисунок 5. Диаграмма энергетических уровней p-n прехода.

При высоких концентрациях примесей, которые создаются в полупроводнике, предназначенном для работы в качестве лазерного излучателя, создается такое положение, когда уровень Ферми, единый для всей области перехода, оказывается расположенным внутри зоны проводимости в n - области и внутри валентной зоны в р – области (рис. 6 а).

Равновесие нарушается при приложении к переходу напряжения в прямом направлении; высота потенциального барьера понижается, p-n переход исчезает, и в узкой области p-n перехода шириной в несколько микрон возникает область с инвертированной заселенностью (рис. 6 б). Вследствие исчезновения потенциального барьера электроны и дырки вливаются в смежные р – и n – области, где и рекомбинируют друг с другом, испуская квант электромагнитного излучения. В области, где имеется инверсия заселенности (то есть в области р – n -перехода), излучение квантов преобладает над их поглощением, поэтому, область инверсии представляет для электромагнитной волны, что является условием усиления электромагнитных колебаний. Рекомбинация неравновесных носителей приводит к обеднению соответствующих зон. Процесс этот протекает быстро, за время порядка 10-11 – 10-12 с. Поэтому для поддержания инверсной заселенности необходимо непрерывно компенсировать убывание неравновесных носителей путем введения (инжекции) электронов в n – область полупроводника (этот процесс можно также рассматривать как инжекцию дырок в р - область). Такое перемещение носителей осуществляется за счет внешнего источника тока, называемого источником накачки. Длительность токового импульса накачки определяет длительность свечения p– n - перехода.

Для данной системы я предлагаю использовать инжекционную накачку. Данный способ наиболее распространен. Он позволяет получить излучение небольшой мощности, не требует больших затрат энергии.

Рисунок 6. Механизм излучения инжекционного лазера на p-n переходе.

Также в качестве методов накачки можно использовать:

1. оптическая накачка ( накачка осуществляется с помощью света). Чтобы накачка среды была эффективной необходимо, чтобы частота излучения оптической накачки была не меньше частоты излучения самого лазера. Следовательно, необходимо подбирать для накачки источник излучения определенной длины волны, что усложняет конструкцию лазера.

2. накачка электронным пучком. Пучок электронов направляется на плоскую грань полупроводникового кристалла. Электроны проникают в глубь кристалла на несколько микрон и теряют ~ 30% своей энергии на создание большого числа электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары распадаются за время 10-15 сек, а электроны и дырки отдают часть своей энергии кристаллической решетке полупроводника, «релаксируя» до состояния с наименьшей энергией(соответственно вблизи краев зоны проводимости и валентной зоны). Из этих состояний электроны и дырки могут рекомбинировать либо испуская фотон, либо без излучения. Данный тип накачки позволяет создавать излучение достаточно больших значений.

3. ударная ионизация. Принцип действия состоит в том, что между двумя областями кристалла, обладающими р – проводимостью, создается тонкий слой. При приложении к прибору электрического напряжения (около 10 Вт) этот слой пробивается, при этом вследствие ударной ионизации возникают лишние носители заряда. Через небольшой промежуток времени носители рекомбинируют и отдают свою избыточную энергию в виде электромагнитного излучения. Эффективность этой накачки на порядок меньше эффективности инжекционной накачки. Этот метод накачки может быть использован для данной активной среды.

Оптическая схема системы

Оптическая схема изображена на рисунке 7. Принцип действия следующий: лазер 1 подает импульс в направлении объекта. Диафрагмой 2 модулируется апертура и форма пучка, учитывая, что он первоначально имеет форму эллипса. Сразу необходимо отметить, что диафрагма вносит дополнительные потери: отношение площади окружности диафрагмы к площади эллипса выходного лазерного пучка. Отношение площадей будет эквивалентно отношению углов расходимости и, соответственно, потери будут составлять τд = 20/45 = 0,44

Далее расходящееся излучение проходит через коллимирующую двухлинзовую систему формирования пучка и, соответственно, на выходе из данной оптической системы приближенно получается нерасходящийся пучок. Далее часть излучения, попадая на полупрозрачную пластинку 5, отражается и направляется на объект 7. При его присутствии, отраженный сигнал вернется обратно в то же самое место на пластине 5 (при условии, что объект 7 в виде бронетехнике будет установлен таким образом, что его боковая поверхность будет плоской или близкой к данной и находиться перепендикулярно к плоскости земной поверхности). Также немаловажным фактором является расположение танка Т-90, на котором установлен дальномер. Прошедшее отраженное излучение через пластину 5, пройдет через трехлинзовый объектив и сфокусируется на фотоприемник 6.

Рисунок 7. Оптическая схема дальномера, где

1 – лазер;

2 – диафрагма;

3 – собирающая линза;

4 – рассеивающая линза;

5 – полупрозрачная пластинка;

6 – фотоприемник;

7 – объект.

Далее произведен расчет условно «телескопической» системы формирования выходного сигнала лазера и объектива для формирования приема отраженного сигнала. Телескопическая система представлена на рисунке 8, а объектив на рисунке 9. Основные расчеты параметров оптических элементов произведены по формулам высот и углов:

, (2)

, (3)

, (4)

где σ – угол распространения краевого луча относительно оптической оси;

n – показатель преломления;

h – высота прохождения краевого луча относительно оптической оси;

Ф – оптическая сила поверхности;

d – расстояние между рассматриваемыми точками;

r – радиус кривизны поверхности.

Рисунок 8. «Телескопическая» система формирования выходного пучка.

Рисунок 9. Объектив приемной системы.

Но для дальнейшего расчета необходимо значение показателя преломления, то есть теперь необходимо подобрать материал для линз. Для этого обратимся к спектрам пропускания оптических материалов (рис. 10).

По данным из [5], наименьшее отражение имеет CaF2 и оно составляет порядка ρ = 5,5% = 0,055. Отсюда следует, что необходимо использовать этот материал. Для фторида кальция показатель преломления составляет примерно n = 1,4 и он остается примерно таким практически на всем спектральном диапазоне собственного пропускания.

Рисунок 10. Спектры пропускания оптических стекол: К8 (а), CaF2 (б), Ge (в), BaF2 (г), MgF2 (д), Si (е), плавленый кварц (ж).

Теперь можно приступить к расчету оптических схем. Для начала можно записать начальные данные для телескопической системы:

Для начала можно найти высоту h1: . Возьмем фокусное расстояние f1 = 30 мм. Далее по формуле (2) находим угол σ2:

Примем толщину первой линзы и, соответственно, расстояние d1 = 7 мм, а также фокусное расстояние f1' = 75 мм. По формуле (3) можно найти высоту h2 и далее снова по формуле (2) σ2 и так далее:

Т.к. известны параметры h4 = 10 мм и σ5 = 0°, и при d3 = 12 мм, можно найти недостающие параметры фокусных расстояний 2 линзы и угол σ4, составив уравнения:

По формуле (4) можно оценить радиусы кривизны данных поверхностей.

Аналогичный расчет по формулам (2) – (4) проводим для объектива. Параметры линз занесены в таблицу 4.

Таблица 4. Параметры оптических элементов, используемых в системе.

Параметр Телескоп Объектив
Собир. линза Расс. линза Собир. линза 1 Расс. линза Собир. линза 2
f, мм -30 61,2 -40 -300
f ', мм -2,7 -26,8
d, мм 1,5
r1, мм -12 24,5 -16 -120
r2, мм -14,9 -120 -10,7 3,2

 

Выбор фотоприемника

Кроме уже выбранного лазера, та же фирма АИБИ предлагает также и фотоприемное устройство со следующими техническими характеристиками:

Спектр фоточувствительности приемника типа PD24-01-HS изображен на рисунке 11. Судя по спектру, данный тип фотоприемника отличается хорошей чувствительность в области 2,19 – 2,29 мкм.

Рисунок 11. Спектр фоточувствительности приемника типа PD24-01-HS

Также он имеет следующие параметры:

 

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-28

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...