7.2 Принцип дії напівпровідникових оптичних генераторів

Принцип дії напівпровідникових оптичних генераторів є іншим, ніж газових лазерів, так як в напівпровідниках атоми мають сильний взаємний зв’язок. Тому в них енергетичні рівні вироджуються в зони. Верхню зону називають порожньою або зоною провідності, а нижню – валентною або заповненою. Між ними знаходиться заборонена зона. Якщо електрону, який знаходиться в заповненій зоні , надати відповідну кількість енергії , то він перейде у верхню зону – зону провідності. При його повернені у верхню зону відбувається рекомбінація електрона і дірки з виділенням кванту енергії. НПЛ складаються з двох частин : р- область і n- область. Перша з яких має електрону провідність , а друга – діркову. Межею між них є р-n-перехід. Він є енергетичним бар’єром , для подолання якого електронам і діркам потрібно надати деяку кількість енергії. Якщо через діод пропускати струм з області р до області n , не менший від деякого мінімального значення, яке називається пороговим струмом, то енергія електронів в n- області зростає і вони починають рухатись в напрямку р- області. В зоні р - n- переходу електрони впадають в дірки, що супроводжується випромінюванням. Зона р - n- переходу, яка є перпендикулярною до напряму струму, є активною зоною НПЛ. Товщина цього переходу декілька мкм, а ширина – десяті частки мм. Дві грані діода, перпендикулярні до р - n- переходу, полірують і покривають діелектриком, завдяки чому вони набувають здатності відбивати випромінювання. Ці грані виконують роль оптичного резонатора НПЛ (резонатора Фабрі – Перо). Одна з цих граней є частково прозорою. З неї отримуємо випромінювання. Інші грані діода є неполірованими (шорсткими). Розташування НПЛ лежить в ближній інфрачервоній ділянці спектра; його довжина хвилі 0,8 – 0,9 мкм. Ширина випромінювання залежить від температури кристала та сили струму і складає від 0,001 до 0,005 мкм. Розміри лазера дуже малі , наприклад 0,1 х 0,1 х 1,25 мм. потужність випромінювання при охолоджуванні в рідкому азоті складає 10-25 мВт. Потужність живлення – 50 мВт. Отже, ККД НПЛ може досягати 50 % , тобто є дуже високим. Використання НПЛ ускладнене тим , що через велику щільність струму(≈1000 А/см² ), яку потрібно пропускати через них, вони дуже швидко нагріваються і руйнуються. Щільністю струму (j) називають величину струму, що проходить через одиницю поперечного перерізу провідника, за одиницю щільності приймають А/см² тобто таку щільність, при якій через площадку в 1 кв. см , перпендикулярну до напрямку руху зарядів іде струм 1 ампер. Тому , для отримання безперервного випромінювання їх потрібно сильно охолоджувати. Це не дозволяє використовувати у світловіддалемірах НПЛ в режимі безперервного випромінювання ( без охолоджування вони можуть працювати тільки в імпульсному режимі ). Тому, сучасні розробки імпульсно – фазових світловіддалемірів дали можливість використовувати НПЛ. Коли через напівпровідник пропускати струм, менший від порогового , то рекомбінація відбувається хаотично, спонтанно. При цьому виникає некогерентне і немонохроматичне випромінювання , яке отримало назву рекомбінаційного. Діод який працює в такому режимі називавється люмінесцентним діодом. Потужність випромінювання світлодіода набагато менша , ніж лазера (вона не перевищує 0,2мВт). Ширина спектра його випромінювання складає 0,01-0,03 мкм. ККД менше або дорівнює 1 %. Будова світлодіода не відрізняється від будови НПЛ. В ньому тільки не шліфують граней, бо оптичний резонатор для їх роботи не потрібний. Світлодіод працює безперервно при будь - яких температурах навколишнього середовища. Це робить його зручним джерелом світла для світловіддалемірів. Світловий потік , отриманий з світлодіодів та НПЛ , прямопропорційний силі струму, який протікає через нього. Це дає можливість в них проводити модуляцію (внутрішню) інтенсивності випромінювання. Недоліком напівпровідникових джерел світла є так звана фазовість випромінювання. Причини цього - дефекти в будові напівпровідника , які призводять до появи в них ділянок в зоні р - n- переходу з менш сприятливими умовами для виникнення випромінювання. Внаслідок цього, в поперечному перерізі пучка, густина світлового потоку не є однаковою по всій поверхні перерізу. При модуляції випромінювання напівпровідникових джерел в площині поперечного перерізу пучка фаза модуляції інтенсивності через фазовість не є однаковою.

Лекція 8.

Способи модуляції світла.