Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2.3. Светоизлучающие диоды (СИДы)
В 1923 г. русский ученый Лосев О.В. обнаружил, что при прохождении тока через кристаллы карборунда наблюдается зеленоватое свечение. При приложении к p-n-переходу напряжения в прямом направлении инжектируемые носители (электроны и дырки), попадая в область перехода, где они не являются основными, рекомбинируют с основными носителями. Межзонные переходы, как правило, сопровождаются испусканием квантов света с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны. На основе этого явления и было создано семейство приборов - светоизлучающих диодов (СИДов). СИДы работают в той области токов инжекции, когда не достигнут порог генерации вынужденного излучения и мы имеем дело с чисто спонтанным излученим.
Светоизлучающий диод - это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. Энергия кванта, испущенного при акте излучательной рекомбинации, как известно, близка к ширине запрещенной зоны hv = Eg, или длина волны =hc/E, где c - скорость света.
Видимый диапазон спектра составляет от 0.4 до 0.7 мкм, что соответствует Eg > 1.8 эВ. Этому условию удовлетворяют следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN).
Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения диодов. Возможно создание приборов с управляемой цветность свечения, от зеленого до красного. На рис. 2.23 приведены спектры излучения некоторых светодиодов.
Рис. 2.23. Спектры излучения светодиодов:
1 - Кривая видности.
2 - Ga P (зеленое свечение.
3 - Cвечение в SiC, легираванного бором и азотом.
4 - GaP, легированный цинком, теллуром и кислородом ( красное свечение ).
5 - Cвечение в GaAs, легированном цинком и теллуром.
6 - Cвечение в GaAs, легированном кремнием и теллуром.
СИДы делят на два класса приборов: СИДы для индикации с выходной мощностью - десятые доли - единицы мВт.
Второй класс составляют СИДы для использования их излучения в различных применениях (в частности в медицине, оптических линиях связи и т.д.). Это СИДы большой мощности излучения (десятки мВт и выше).
КПД СИДов достигает единиц процентов, а определяется он соотношением между излучательными переходами и безызлучательными, поскольку акты рекомбинации электронов и дырок далеко не всегда связаны только с излучением, но и могут приводить к выделению энергии в виде элементарных квантов тепловых колебаний кристаллической решетки (фононов).
Часть СИДов работает на двойном преобразовании энергии: электрической - в ИК, с последующим преобразованием его в видимое излучение с помощью антистоксова люминофора (т.е. вещество, которое смещает длину волны излучения в область более коротких волн), покрывающего излучающую поверхность диода. Достоинством является высокая стабильность цветности при изменении тока инжекции. Недостатки - низкий КПД и малый срок службы, что связано со старением и высвечиванием люминофора.
3.3. Проникновение излучения в биоткань
Очевидно, что излучение лазера, падающее на биообъект частично отражается, рассеивается, поглощается приповерхностным слоем кожи и, только часть его, проникает внутрь. Поглощающая способность биологической ткани очень сильно зависит от длины волны излучения. На рис. 3.8. показана типичная зависимость коэффициента поглощения биоткани от длины волны излучения. Энергии фотонов и энергия химических связей биосубстрата соотносятся между собой так, как показано на рис. 3.9.
E/E,
80
40
0
Рис. 3.8 Типичный спектр поглощения биоткани
0.4 0.6 0.8 1.0 1.5 1.7 2 4 6 , мкм
Как можно видеть, ультрафиолетовое излучение (УФ), сильно поглощаясь белками, практически не проникает в биоткань. При поглощении фотонов в этой области спектра (при длине волны 200 нм энергия фотона составляет 6.2 эВ) происходит диссоциация отдельных молекул. Так, например, разрушаются ковалентные связи между углеродом и кислородом (энергия связи равна 6.3 эВ). В видимой области спектра энергии квантов лазерного излучения меньше, но достаточны для возбуждения, диссоциации и фотохимических превращений. Так, при длине волны 600 нм энергия кванта 2.06эВ близка к энергии связи углерода и азота. Свет в этой области спектра преимущественно поглощается хромофорными группами в белковых молекулах, отчасти кислородом. Наиболее важная роль здесь принадлежит таким ферметам, как гемоглобин, меланин. Но видимое и ближнее инфракрасное (ИК) излучение слабо поглощается и довольно глубоко проникает в биоткань. Излучение с длиной волны около 1мкм (ближний ИК-диапазон) проникает в ткани на глубину более 1 см. Свет в области спектра (от 0.75 до 3 мкм) преимущественно поглощается содержащимся в белке кислородом, а в дальнем ИК-диапазоне спектра (более 3 мкм) - молекулами воды, кислорода и углекислоты. В результате сильного поглощения излучение ИК-диапазона слабо проникает в ткани.
200 400 600 800 , нм
Е, эв 6.2 4.9 3.1 2.5 2.1 1.24
С=О С=С С-С С=N
Энергия связи Энергия Энергия Энергия
диссоциации электронного колебательных
молекул возбуждения процессов
Рис 3.9. Энергии фотонов и энергия химических связей биосубстрата
Естественно, что фотобиологической активностью обладает лишь тот свет, который поглотился системой. При этом важны два фактора: 1 - общее количество поглощенной энергии (число квантов) в единицу времени и 2 - величина поглощенного кванта (квантовая энергетика).
Рассеяние света биотканями также играет важную роль при выборе источника излучения для проведения медицинских процедур. Оно также зависит от длины волны излучения и от природы ткани. В тканях с сильным поглощением в УФ-области спектра - рассеяние мало. В видимой области процессы рассеяния соизмеримы с процессами поглощения, в ближней ИК-области рассеяние превалирует над процессом поглощения. Частный случай рассеяния - рассеяние "назад" - не что иное как отражение. В ближней ИК-области спектра для кожных покровов оно может составлять до 60% от падающего излучения.
Из-за многослойной структуры кожного покрова взаимодействие излучения с тканями носит весьма сложный характер. Роговой слой кожи отражает около 5-7% падающего излучения. Вследствие микроскопической неоднородности границы раздела "воздух - роговой слой", коллимированный пучок света превращается при отражении в диффузный. Для ближнего УФ, видимого и бижнего ИК-излучения большая часть отраженного кожей света формируется за счет обратного рассеяния разными слоями кожи (эпидермисом и дермой). Спектральный анализ отраженного сигнала может дать количественную информацию о содержании билирубина в ткани или крови, степени оксигенации крови или содержании определенных лекарственных препаратов, что является основой для ряда методов диагностики различных заболеваний. С другой стороны, значительное проникновение света в области длин волн так называемого "терапевтического окна" (0.6 - 1.5 мкм) в глубь организма и послужило основой для фототерапии.
При анализе рассеяния и поглощения света биотканями обычно предполагают равномерное распределение рассеивающих и поглощающих центров. В большинстве случаев реализуются три предельных случая.
1. Ослабление лазерного пучка происходит в основном за счет френелевского отражения и поглощения. Интенсивность прошедшего света определится известным законом Бугера-Ламберта-Бера:
I = I0 e-kl , (3.20)
где k - коэффициент экстинции, k = a + s, a - коэффициент поглощения, s - коэффициент потерь за счет рассеяния ( k и s измеряются в см-1, l - в см).
2. Анизотропное рассеяние характеризуется ярко выраженной направленностью рассеяния, которое для большинства биотканей совпадает с направлением распространения падающего излучения. Точное математическое описание процесса распространения света в мутной среде может быть сделано с использованием уравнений Максвелла. Менее точно, но проще - с помощью теории переноса излучения (для случая малых концентраций рассеивающих частиц- режим однократного рассеяния), либо с помощью метода Монте-Карло, основанного на численном моделировании процесса транспорта фотонов в рассеивающей среде (с учетом многократного рассеяния - случай большого числа рассеивающих центров).
3. В условиях изотропного рассеяния, когда рассеяние превалирует над поглощением, распределение лазерного излучения в биоткани не описывается законом Бугера-Ламберта-Бера, поэтому коэффициенты поглощения и рассеяния не могут быть определены отдельно на основании измерений ослабления пучка. В этом случае они находятся с помощью измерений диффузного отражения и диффузного пропускания тонких образцов тканей.
Характер взаимодействия излучения с биотканью необходимо учитывать при расчетах доз поглощенной энергии и организации защитных мероприятий, в частности обслуживающего персонала. Более подробные сведения можно получить из рекомендуемой литературы [ 5-8, 11, 12 Пособия «Лазерные системы в медицине»].