Глава 5. Физические основы оптоэлектроники

Световое излучение – эффективная форма энергии, по изменению которой можно судить о многих физических параметрах объектов: температуре, составе, скорости перемещения и т. д. Свет имеет электромагнитную волновую природу, но при выполнении условия, когда энергия фотона будет превышать уровень теплового шума ( ), удобнее в инженерной практике рассматривать световое излучение как процесс распространения квантов электромагнитной энергии.

Разным зонам спектра светового излучения (0,1-100мкм) даны определенные названия: УФ, видимый свет, дальний (4-100мкм), средний (1,5-4мкм) и ближний (0,9-1,5 мкм) ИК диапазон излучений, микроволны и радиоволны и т.д. Фотоны УФ и видимого спектра излучений обладают высокими энергиями, поэтому их достаточно несложно измерять. При переходе к ИК диапазону энергия фотонов уменьшается, что существенно усложняет задачу создания первичных приемников излучения ИК диапазона. Например, тело человека является источником ИК излучения ближнего и дальнего диапазонов, что создает определенные трудности для его обнаружения. По этой причине датчики ИК диапазона являются чаще всего тепловыми, а не квантовыми.

Световые датчики чаще всего чувствительны к изменениям электрических, а не магнитных полей.

Электромагнитные волны обладают свойством поляризации. Это означает, что вектора электрической напряженности поля в любой точке волны параллельны друг другу. Поляризационные фильтры пропускают только те компоненты волн, векторы электрических полей которых колеблются параллельно направлению ориентации фильтра, и поглощают те, плоскость колебаний которых ориентирована под углом к этому направлению.

Направление поляризации фильтра задается в процессе изготовления. Для этого в пластмассу встраивают определенные длинноцепочные молекулы и подвергают их растяжению, в результате чего молекулы выстраиваются параллельно друг другу. Такие поляризационные фильтры широко применяются в жидкокристаллических матрицах, в оптических датчиках.

При использовании светочувствительных приборов необходимо учитывать ряд фотометрических характеристик (спектральный диапазон излучений, излучающую способность, яркость и освещенность и др.). В некоторых случаях источник света является независимым устройством, в других – составной частью измерительной системы.

Для сравнения яркости разных цветов используется физическая величина - световой поток (лм). Человеческий глаз неспособен различать уровни мощности излучений разных длин волн видимой области спектра (например, синий и красный цвета одинаковой интенсивности воспринимаются по-разному, красный цвет кажется намного ярче).

При выборе фотоэлектрических датчиков необходимо учитывать конструктивные особенности источников света. В зависимости от соотношения между размерами источника света и расстоянием до объекта источники света подразделяют на пространственные и точечные.

Оптические преобразователи могут работать с использованием прямого или отраженного света. Генератором лучистого потока как носителя информации может служить сам объект измерения или специальные устройства, в качестве которых используют лампы накаливания, газоразрядные лампы, лазеры и др. Тип используемого источника излучения в большой степени определяет технические и эксплуатационные характеристики измерительных устройств в целом.

Существует большое количество оптических датчиков, имеющих свои особенности:

• спектральную чувствительность,
• быстродействие,
• геометрические размеры,
• стоимость.

Для того чтобы сделать правильный выбор типа измерительного преобразователя необходимо учитывать физическую природу источника света.

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма), переработки (преобразования), запоминания и хранения информации на основе использования двойных (электрических и оптических) методов и средств.

Оптоэлектронный прибор - это прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях.

Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлектронных приборов и устройств или такая их структура (в случае использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализацию с применением методов современной интегральной техники в микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники, среди которых должны быть выделены, прежде всего, квантовая электроника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим обуславливаются их основные достоинства:

• высокая информационная ёмкость оптического канала;
• острая направленность излучения;
• возможность двойной модуляции светового луча - не только временной, но и пространственной;
• бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей;
• возможность простого оперирования со зрительно воспринимаемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными приборами очень широкие возможности применения в качестве элементов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводительных вычислительных комплексов, запоминающих устройств гигантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телевидения.

Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным (светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использованием когерентного или некогерентного света обычно резко отличаются друг от друга по важнейшим характеристикам.

Всё это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Естественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.

⇐ Предыдущая21222324252627282930Следующая ⇒

Поделиться: