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
2.2.1. Гелий-неоновый лазер
В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются атомы неона. В электрическом разряде часть атомов неона из основного - 0 переходит в возбужденные состояния 2,3,4,5 и т.д. (рис. 2.7). Инверсия может достигаться вследствие большой скорости накачки уровней 3,4 по сравнению с меньшей скоростью накачки уровней 1,2. Однако, в чистом неоне инверсию получить невозможно, поскольку населенность долгоживущего (метастабильного) уровня 1 значительно превышает населенности уровней 3,4. Поэтому используя смесь газов - гелия и неона. Энергии двух метастабильных (а следовательно и сильно заселенных) уровней гелия близки к энергиям уровней 3 и 4 атома неона. Поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия (в состояниях 1 и 2 HeI) c невозбужденными атомами неона - последние переходят в состояния 3 и 4 NeI. Эти состояния и использованы как верхние рабочие уровни лазера. Потому он и назван как гелий-неоновый.
Рис. 2.7 Упрощенная схема уровней атомов гелия и неона
Выбором условий разряда (давлений гелия и неона, напряжения и тока стационарного разряда) можно добиться преимущественной накачки уровня 4 неона (тогда реализуется генерация на длине волны 632.8 нм), либо уровня 3 (излучения в ближней ИК-области спектра - 1.15 и 3.39 мкм). Нижний рабочий уровень у них общий - 2. Это состояние является короткоживущим и разрушается спонтанными переходами на уровень 1, а те, в свою очередь, разрушаются в соударениях атомов в состоянии 1 со стенкой газоразрядной трубки (с переходом в основное состояние - 0). Поэтому диаметр трубок лазера обычно мал и составляет единицы мм, а мощности излучения составляют единицы-десятки мВт. Для получения больщих мощностей - до сотен мВт приходится увеличивать рабочий объем лазера за счет длины трубки (до 1-2 м). В действительности уровни 2,3 и 4 (2p, 2s, 3s - в обозначениях Пашена) представляют собой полосы из большого числа близко расположенных уровней. Поэтому спектр генерации лазера может содержать несколько десятков спектральных линий, генерирующих в красной и ближней ИК- областях спектра.
Таким образом, следующие достоинства - узость спектрального состава (высокая монохроматичность) излучения и стабильность частоты. Именно благодаря этим качествам (несмотря на малую мощность - десятки-сотни мВт и КПД - около сотых долей процента) этот лазер находит широкое применение в измерительных приборах, бытовой технике, включая компакт-диски, принтеры, связь по оптическим волокнам и т.д. В медицине он получил широкое распространение как источник излучения для низкоинтенсивной терапии.
4.6.2. Фотодиоды
Фотодиодами (AД) принято называть фотоэлектрические полупроводниковые приборы, в которых под воздействием излучения возникают электронно-дырочные пары, разделяемые p-n - переходом и образующие фототок. При отсутствии внешнего освещения в цепи протекает только темновой ток (обратный ток запертого диода), составляющий единицы - десятки микроампер. Фотодиоды могут включаться в схемы как с внешним источником питания (так называемое включение в фотодиодном режиме), так и без него - включение в вентильном (фотовольтаическом) режиме Рис. 4.14.
Рис. 4.14. Включение фотодиода в фотодиодном (а) и вентильном (б) режимах.
Световая характеристика фотодиода (кремниевого) приведена на Рис. 4.15.
Рис. 4.15. Световая характеристика кремниевого фотодиода.
Как можно видеть из рисунка зависимость фототока от уровня оптического возбуждения I линейна в широком диапазоне освещенностей, вплоть до 1018 квант/сек. Наклон прямой, определяющий коэффициент усиления, близок к единице (1 А/Вт). Малый коэффициент усиления - основной недостаток фотодиодов как ФП для оптронных пар, так как именно он определяет малый коэффициент передачи оптрона.
Рис. 4.16 Принципиальное устройство p-i-n-кремниевого ФД.
Фотодиод - быстродействующий фотоприемник, инерционность которого в отличие от фоторезистора практически не зависит от уровня возбуждения. Инерционность фотодиода определяется, с одной стороны, процессами, связанными с разделением пары электрон-дырка (время дрейфа носителей заряда), возникшей при поглощении излучения, с другой - схемной релаксацией, обусловленной RC-параметрами p-n- перехода и нагрузки. Наибольшее быстродействие (до 10-7 сек) имеют точечные фотодиоды с малой емкостью перехода. Однако здесь возникает проблема связана с заведением излучения на малую рабочую поверхность. Уменьшение времени отклика фотодиода на излучение достигают используя p-i-n-структуры. Принципиальное устройство p-i-n-кремниевого фотодиода приведено на Рис. 4.16.
Основой для таких фотодиодов служит кремний (i-область, удельное сопротивление которой в 106 - 107 раз превышает удельное сопротивление легированных областей n- и p-типа). Это обуславливает большую толщину области пространственного заряда (p-n = 10-2 см), высокую ее электрическую прочность и большие значения напряженностей электрического поля в ней. Время пролета электроном области пространственного заряда (определяющее быстродействие фотодиода) определится из соотношения:
t прол. = p-n / V д , (4.14)
где предельные дрейфовые скорости электронов Vд в сильном поле (Е> 104 В/см) могут достигать 107 см/сек. Т.е. t прол. = 10-2 см / 107 см/сек = 10-9 сек. Дальнейшее улучшение скоростных характеристик фотодиодов с одновременным повышением коэффициента усиления ФП стало возможным с переходом к лавинным фотодиодам (ЛФД).
4.6.3. Лавинные фотодиоды (ЛФД)
Одним из путей повышения коэффициента усиления диода-ФП и ускорения отклика его на световое воздействие является использование лавинного механизма усиления фотоносителей в p-n-переходе, что и нашло свое отражение в лавинных фотодиодах (ЛФД). Усиление является следствием ударной ионизации в p-n-переходе при смещениях, близких к пробойным.
Если поле в активной зоне диода велико и энергия, приобретаемая носителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно-дырочных пар, то носители, сталкиваясь с атомами решетки, будут их ионизовать. Результатом ударной ионизации будет образование новых электронно-дырочных пар, которые, в свою очередь, могут участвовать в дальнейшей ионизации. Такое размножение носителей тока носит лавинообразный характер и сопровождается резким ростом тока во внешней цепи диода. Схематично это показано на Рис. 4.17.
Рис. 4.17. Развитие лавины в ЛФД.
Усиление первичного фототока в ЛФД определяется коэффициентом размножения M
M = Gф = i ф / i фо , (4.15)
где i ф - ток на выходе диода с учетом размножения, i фо - фототок диода при напряжении ниже напряжения лавинообразования.
У кремниевых ЛФД Mmax = 104 - 106, а у германиевых 200-250. Для кремниевых ЛФД параметры RC следующие: R = 100- 102 ом, C = 10-12 Ф, т.е. RC = 10-11 сек. Параметры ФД и ЛФД даются в соответствующих справочниках.