Электросветовые приборы когерентного излучения

В рассмотренных выше электросветовых приборах излученный свет является полихроматическим и состоит из фотонов различных энергий. В когерентных приборах используются фотоны с одинаковой энергией, что достигается некоторыми особыми приемами. Наиболее часто это обеспечивается управляемым переходом частиц (электронов, атомов, молекул) из некоторого возбужденного состояния, с большим уровнем энергии, в нормальное, невозбужденное состояние.

Энергия частицы может быть обусловлена ее вращательным или колебательным движением, связью с другими частицами, ориентацией ее электрического или магнитного полей.

В обычных условиях энергия минимальна и может увеличиваться только под воздействием внешней силы, при этом частица переходит в возбужденное состояние, занимая один из разрешенных уровней в зависимости от энергии поглощенного кванта (рис. 1.26, а).

Для перехода частицы с заданного энергетического уровня IV, на нормальный, невозбужденный, лучше всего воздействовать электромагнитным полем с резонансной частотой.

где и W₀ — энергия, соответственно, возбужденной и невозбужденной частиц, h — постоянная.

При этом излучаемый квант имеет ту же частоту, что и внешнее поле, а сам процесс излучения называется стимулированным или индуцированным.

При воздействии на вещество электромагнитного поля с резонансной частотой одновременно протекают два процесса — поглощение и резонансное излучение. Поглощение обычно преобладает, однако, если заранее перевести частицы в возбужденное состояние, то при воздействии электромагнитного поля с резонансной частотой частицы будут отдавать свою энергию электромагнитному нолю, усиливая его. На этом принципе основаны квантовые приборы: получая энергию от дополнительного источника возбуждения, они отдают ее переменному электромагнитному полю на той же частоте, тем самым усиливая поле.

Наиболее часто применяют трехуровневые квантовые приборы, в которых ионы, атомы или молекулы активного вещества имеют три характерных энергетических уровня (рис. 1.26, а).

На первом верхнем уровне возбужденные частицы долго не задерживаются и переходят на второй уровень W₂, отдавая излишек энергии в виде тепла. На втором уровне частицы задерживаются на время до 10″ ⁴ с, после этого возвращаются на основной уровень V_0t излучая при этом кванты с частотой.

Если на возбужденные частицы воздействует поле с резонансной частотой, то излучение становится стимулированным и когерентным, переходы происходят согласованно и строго синхронно с внешним электромагнитным полем.

Для получения когерентного стимулированного излучения в современных квантовых приборах используется изменение: 1) орбитального положения валентных электронов, что обычно обусловливает излучение фотонов видимого света; 2) колебательного движения атомов в молекулах, вызывающее излучение фотонов инфракрасного света; 3) энергии вращения в парамагнитных ионах и атомах, сопровождаемое излучением квантов сверхвысоких радиочастот.

Приборы стимулированного излучения принято классифицировать по частотам излучаемых квантов. В частности, приборы, работающие на видимых и ультрафиолетовых частотах, называются лазерами, на инфракрасных — иразерами, на СВЧ — мазерами.

На рис. 1.26,6 приводится конструктивная схема квантового усилителя. Активное вещество, используемое в квантовых приборах, должно иметь такое распределение энергетических уровней, чтобы существовали уровни, разность энергий которых позволяла бы получить излучение с заданной резонансной частотой.

Используемое вещество должно иметь также определенную концентрацию активных частиц. Если их мало, то и суммарный эффект стимулированного излучения мал. При увеличении числа активных частиц эффект возрастает, но лишь до некоторого предела, поскольку при большой концентрации частицы начинают взаимодействовать друг с другом. Это приводит к расщеплению энергетических уровней, вследствие чего происходит излучение на многих частотах.

В качестве активного вещества в лазерах используют диэлектрические и ионные кристаллы (рубин, гранат), ниодимовые стекла, полупроводники (арсенид галлия, фосфид индия, фосфид галлия, карбид кремния), инертные газы (неон, криптон, ксенон), жидкости (нитробензол), металлоорганические соединения (например, европий-бензойл-ацетонат и т. д.).

Лазер-усилитель (рис. 1.26,6) световых сигналов может быть выполнен на основе кристалла рубина, облучаемого потоков света от ртутной лампы, вследствие чего происходит возбуждение активных частиц (ионов хрома).

Если в кристалл вводится сигнал с резонансной частотой, то каждый фотон сигнала стимулирует появление себе подобного фотона, строго синхронного и синфазного с ним. Распространяясь в глубь кристалла, фотоны снова и снова встречаются с возбужденными частицами и вызывают излучение новых фотонов. Усиление тем больше, чем больший путь проходит усиливаемый сигнал и чем больше возбужденных частиц имеется в кристалле.

Лазер-генератор на основе кристалла рубина устроен так же, как и лазер-усилитель, но на торцы кристалла, строго перпендикулярно к его оси, установлены зеркала. Если число активных частиц велико, то возникает хотя бы один фотон, направление движения которого строго совпадает с осью кристалла. При распространении в кристалле фотон стимулирует появление новых, подобных себе фотонов. Дойдя до зеркала, фотоны отражаются обратно в кристалл, порождая лавину новых, которые снова и снова отражаются от зеркал.

Поток фотонов увеличивается до тех пор, пока не будет исчерпан запас возбужденных частиц или число вновь возбуждаемых частиц станет равно числу возвращающихся в нормальное состояние. Сфор;

Рис. 1.26. Принцип действия (а) и устройство (б) квантового усилителя мированный таким образом поток фотонов может быть выведен из лазера во внешнее пространство через одно из зеркал, прозрачность которого может регулироваться.

В полупроводниковых лазерах активные частицы возбуждаются за счет энергии электронов электрического тока, проходящего через и-/?-иереход в прямом направлении. При этом фотоны света излучаются при рекомбинации электронов с дырками. Среди множества излучаемых фотонов имеется хотя бы один, направленный строго параллельно плоскости п-р-перехода. Этот фотон стимулирует излучение себе подобных, которые, многократно отразившись от полированных граней кристалла, используемых в качестве зеркал, образуют мощный световой поток.

Полупроводниковые лазеры-генераторы (изготавливаемые обычно из арсенида галлия, арсенид-фосфида галлия, арсенида или фосфида индия), являются весьма эффективными преобразователями электрической энергии в световую, их КПД может доходить до 90% при мощности излучения в несколько ватт.

Газовые лазеры выполняют в виде трубки с несколькими электродами и зеркалами, расположенными в торцах. Возбуждение в газовом лазере обычно достигается за счет тлеющего или дугового разряда между электродами. Газовые лазеры могут создавать сверхинтенсивные световые потоки, мощность которых в импульсном режиме может достигать сотен мегаватт.

Оптроны. Одним из широко используемых в современной радиоэлектронике оптоэлектронных приборов является оптрон. Оптрон выполняется на основе излучателя и приемника света, близко расположенных друг к другу в герметическом корпусе и оптически связанных между собой.

В качестве приемников света в оптронах могут быть использованы: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, составные фототранзисторы и фотодиоды в паре с транзисторами.

Необходимость использования того или иного фотоприемника (рис. 1.27, я) обусловлена конкретными условиями применения оптрона, такими как величина (и полярность) напряжения или тока на выходе, максимальная величина напряжения между цепью питания светодиода и цепью питания фотоприемника, величина остаточного напряжения на выходе в режиме насыщения, время срабатывания (максимальная рабочая частота) и т. д.

Наиболее широко применимый фоторезистивный оптрон (рис. 1.27, а) состоит из полупроводникового светодиода и фоторезистора. При подаче на вход напряжения в прямой полярности светодиод начинает излучать свет, который, воздействуя на фоторезистор, меняет его сопротивление, изменяя тем самым паление напряжения на фоторезисторе.

Важной особенностью любого оптрона является то, что его вход и выход электрически не связаны между собой, поскольку связь между светодиодом и фотоприемником осуществляется световым потоком. Это позволяет, например, передавать сигналы от одного блока 51 к другому блоку Б2 устройства (рис. 1.27, в), даже если между их корпусами действует очень высокое напряжение U" (постоянное или переменное).

В принципе эта задача может быть решена использованием разделительного трансформатора, однако трансформатор не может работать на постоянном токе или на очень низких частотах и трудно обеспечить хорошую изоляцию между первичной и вторичной обмотками при напряжениях в сотни тысяч вольт.

Оптроны могут быть использованы для усиления импульсных световых сигналов, если в них осуществляется внутренняя положительная обратная связь по световому потоку (рис. 1.27, г). При воздействии светового сигнала на входной фоторезистор его сопротивление уменьшается, и появляется ток в цепи светодиода (отбираемый от источника питания Светодиод начинает излучать свет, часть которого уходит через выводное окно наружу, другая часть воздействует на фоторезистор, уменьшая его сопротивление и тем самым увеличивая ток в цепи светодиода и его свечение. Это приводит к еще большему уменьшению сопротивления фоторезистора и еще большему свечению светодиода. Наконец, сопротивление фоторезистора может стать минимальным, при этом свечение светодиода будет максимальным. В конечном итоге все это зависит от того, какая часть световой энергии, излучаемой светодиодом, возвращается на фоторезистор (т. е. как велико обратное воздействие или, как это будет показано дальше, как глубока положительная обратная связь).

Оптроны подобной конструкции, но без обратной связи, могут быть использованы как преобразователи частоты световых сигналов: например, на входной фоторезистор можно действовать невидимым (инфракрасным или ультрафиолетовым) светом, а на выходе светодиода излучение может быть видимым (белым, красным, зеленым и т. д.).

Оптроны с положительной обратной связью могут быть использованы не только для усиления и преобразования световых сигналов, но и для выполнения различных операций над ними: таких, как генери;

Рис. 1.27. Основные виды оптронов (а), схема включения оптрона в качестве гальванической развязки отдельных блоков аппаратуры (б, в) и оптронный усилитель-преобразователь световых сигналов (г).

рование, запоминание, сложение и вычитание, умножение и деление частоты и т. д.

Контрольные вопросы

• 1. Почему очень мал квантовый выход в фотоэмиссионных приборах? Можно ли его увеличить?
• 2. Какой из видов фотоэлектронных приборов лучше использовать для измерения слабых: а) инфракрасных, б) ультрафиолетовых излучений?
• 3. Можно ли создать «полевой фототранзистор» с управляющим и-р-переходом или изолированным затвором?
• 4. Какой из видов электросветовых приборов вы бы предпочли применять для освещения вашей квартиры, если бы стоимость электроэнергии возросла в десять раз?
• 5. Можно ли (и как) сделать усилительный прибор стимулированного излучения на рабочие частоты порядка десятков (сотен) герц (килогерц, мегагерц)?