1. фоторезисторы


Название1. фоторезисторы
страница1/4
Дата публикации06.05.2013
Размер0.6 Mb.
ТипДокументы
referatdb.ru > Физика > Документы
  1   2   3   4
Введение
Оптическая электроника, или оптоэлектроника – одно из самых актуальных направлений современной электроники. Оптоэлектронные приборы, устройства и системы характеризуются уникальной функциональной широтой и эффективно используются в информационных системах для генерации, преобразования, передачи, хранения и отображения информации.

В своем развитии оптоэлектроника, с одной стороны, дополняет современную электронику, а с другой – постепенно приобретает все большее самостоятельное значение.

Элементная база оптоэлектроники состоящая из оптоэлектронных приборов (излучатели, фотоприемники, фотопреобразователи и др.) применяется во многих отраслях промышленности и народного хозяйства.

Основная цель пособия – оказать помощь студентам в изучении физических процессов, лежащих в основе действия оптоэлектронных приборов, устройств и систем, их конструктивно-технологических особенностей, методов расчета и измерений характеристик, а также параметров приборов.

Пособие содержит теоретический материал и требования по выполнению лабораторных работ, которые помогут студентам глубже и прочнее усвоить лекционный материал курса «Оптоэлектроника», а также приобрести практические навыки по определению основных характеристик и параметров оптоэлектронных приборов.
^
ТЕМА 1. ФОТОРЕЗИСТОРЫ


1.Принцип действия и конструкция фоторезистора.

2.Типы фоторезисторов.

3.Основные параметры и характеристики.

4. Схемы включения фоторезисторов
Область применения каждого типа фоторезистора определяется. его свойствами и параметрами: вольт-амперной и световой характе­ристикой, чувствительностью, отношением темнового сопротивления RТ к световому RС постоянной времени τ, температурной зависимостью фототока (температурным коэффициентом тока), рабочим напряжением и др.

Если фоторезистор включен в электрическую цепь последова­тельно с источником напряжения, то в темноте через него будет течь темновой ток IТ, при освещении же его поверхности в цепи будет течь световой ток IС. Разность между установившимся световым током IС и темновым током IТ, называется фототоком IФ (IФ = IС - IТ).

Вольт-амперной характеристикой фоторезистора называется зависимость темнового тока, светового тока и фототока от прило­женного к фоторезистору напряжения при неизменной величине светового потока, падающего на фоторезисторы. Для большинства фоторезисторов эта зависимость имеет вид
, (1)
где С — коэффициент пропор­циональности, зависящий от ти­па фоторезистора и интенсивнос­ти света.

При изучении вольт-ампер­ных характеристик фоторезис­торов обычно получают вольт-амперные характеристики в тем­ноте и при различных освещенностях поверхности светочувст­вительного слоя фоторезистора, снимая их одновременно (см. рис. 1). Для этого при затемнен­ном фоторезисторе (Е=0) измеряют темновой ток, а при освещении — световой. Затем находят фототок: . При изменении напряжения, приложенного к фоторезистору, от нуля до номинального значения для данной освещенности Е через каждые 1—5 В находят зависимости: и

Освещение фоторезистора изменяется и измеряется люкс­метром, расположенным на одном уровне с фоторезистором.



Рис. 1. Принципиальная схема для снятия характеристик

фоторезисторов:
^ Л — осветительная лампа; Ф — фоторезистор; μА — микроамперметр (многопредельный); V — вольтметр; R — потенциометр; К— ключ; Б — источник постоянного тока (15 – 150 В); ЛК — люксметр.
Зависимости и строят на одном графике.

Вольт-амперные характеристики у большинства фоторезисторов имеют линейный характер, т. е. в широкой области изменения на­пряжения выполняется закон Ома, а фоторезисторы в области сла­бых электрических полей являются омическими сопротивлениями. У некоторых фоторезисторов в области малых или больших напряжений, приложенных к ним, наблюдаются отклонения от линей­ности.

Световой (люкс-амперной) характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от интенсивности освещения (све­тового потока или освещенности) при неизменном напряжении, при­ложенном к фоторезистору.

На практике люкс-амперные характеристики преимущественно приводятся в виде зависимости не фототока, а светового тока или сопротивления от освещенности.

Зависимость фототока фоторезисторов от освещенности опреде­ляется зависимостью фотопроводимости от интенсивности света: и в общем случае имеет нелинейный характер

, (2)

где ^ C1 — коэффициент пропорциональности, U приложенное на­пряжение, Ф — световой поток; α — показатель степени, значение которого 1, >1, <1; S — площадь фоторезистора; Е — освещенность.

Для снятия световой характеристики фоторезистора используют схему рис. 1. Устанавливают напряжение ^ U (в пределах допусти­мых значений) и, изменяя освещенность фоторезистора ис­точником света, измеряют каждый раз люксметром освещенность Е и микроамперметром токи Iт и Iс вычисляют ток Iф.

Снимают зависимость и выражают графиче­ски в одной системе координат при различных приложенных на­пряжениях в пределах допустимых значений.

^ Интегральной чувствительностью называется отношение фо­тотока, который течет в цепи фоторезистора при рабочем напряже­нии, к падающему на светочувствительный элемент световому потоку от лампы накаливания, вольфрамовая нить которой накалена до цветовой температуры Т=2848 К
. (3)

^ Удельной интегральной чувствительностью фоторезистора назы­вается отношение фототока к величине падающего светового потока и к величине приложенного напряжения

. (4)

^ Спектральной чувствительностью называется отношение фото­тока Iфλ, при длине волны λ к падающему на светочувствительный элемент потоку монохроматического излучения Фλ в узком интер­вале длин волн λ, λ+dλ

. (5)

Спектральная чувствительность в отличие от интегральной зависит от длины волны падающего света и выражается зависимостью или называемой спектральной характери­стикой.

Чувствительности фоторезисторов Ки и Ку находятся расчет­ным путем по данным, полученным при снятии вольт-амперных и све­товых характеристик. Зная площадь светочувствительной площадки фоторезистора S в (м2), освещенность Е (в лк) и приложенное на­пряжение U в (В), вычисляют для видимой части спектра величину лучистого потока () и чувствительности Ки и Ку по формулам (3) и (4). Для видимой части спектра чувствительности Ки и Ку имеют размерности:
,
Для вычисления Кλ необходимо знать распределение энергии по спектру излучения . Размерность

.

Во многих случаях практического использования фоторе­зисторов большое значение придается кратности изменения сопро­тивления фоторезистора при освещении

(6)

и относительному изменению сопротивления

(7)

Для рабочего напряжения Up и освещенности Е находят темновой и световой токи, а затем вычисляют кратность изменения сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора и сопротив­ление его при освещении рассчитывают по закону Ома:

(8)

(9)



Рис. 2. Принципиальная схема определения постоянной

времени τ методом затухания фотопроводимости:
1 – лампа осветителя; 2 – конденсорная линза; 3 – щель; 4 – прерыватель света (полудиск); 5 – электромотор; 6 – фоторезистор; 7 – потенциометр; Rн – сопротивление нагрузки (магазин сопротивлений); О – осциллограф; Б – источник постоянного тока (15 – 150 В); К – ключ; V – милливольтметр.

Постоянная времени спада фототока τ (релаксационное время жизни носителей заряда, , где – средняя вероятность рекомбинации для отдельного электрона) — время, в течение которого фототок уменьшается в е раз (на 63%) после прекращения освещения фоторезистора. Она характеризует инерционность фото­резистора, связанную со временем жизни избыточного носителя заряда (, где N — концентрация центров рекомбинации, S — сечение захвата, υ — средняя относительная скорость теплового движения заряда по отношению к центру рекомбинации).

Если освещать фоторезистор короткими прямоугольными им­пульсами света с малой частотой следования (длительности свето­вого импульса и темнового промежутка равны t (t > τ)), то за время освещения образца будет успевать устанавливаться стационарное значение фотопроводимости, а за время темноты фотопроводимость успевать уменьшаться до нуля. Спад фотопроводимости, обуслов­ленный уменьшением неравновесной концентрации при затемнении, приближенно можно считать происходящим по закону , а фо­тоток в цепи фоторезистора — изменяющимся по закону

. (10)

Для определения величины τ методом затухания фотопроводи­мости (рис.2) исследуемый фото­резистор помещают на подставку. На фоторезистор подают определенное на­пряжение (в зависимости от типа фоторезистора) через нагрузочное сопротивле­ние Rн.

Освещая фоторезистор прямо­угольными импульсами света, на­блюдают на осциллографе экспо­ненциальное изменение (умень­шение) напряжения со временем затемнения на последовательно включенном с фоторезистором сопротивлении Rн. Включив мет­ки времени на осциллографе, измеряют время t1, в течение которого напряжение, пропор­циональное фототоку, уменьшается в два раза. Падение напряже­ния на сопротивлении Rн при затемнении изменяется приближенно по закону

. (11)

Если (уменьшилось в два раза), то релаксационное время жизни

(12)

где t1 — время, соответствующее уменьшению напряжения на со­противлении ^ Rн в два раза.

При измерениях величин t1 и τ следует исследовать кривые зату­хания разной амплитуды путем изменения приложенного напряжения к образцу. Во избежание искажения измеряемого времени жиз­ни τ измерительное поле должно быть достаточно малым.

Метод затухания фотопроводимости широко применяют для изме­рения как объемного τυ, так и поверхностного τs времени жизни. При измерении локальных значений эффективного времени жизни τ можно освещать лишь исследуемый участок образца.

В связи с тем что скорость нарастания тока при освещении фото­резистора несколько отличается от скорости спадания его при затемнении, различают постоянную времени нарастания τн и спадания τсп. Численные значения τн и τсп для фоторезисторов, приводимых, в справочных таблицах, определяются при освещенности 200 лк от источника излучения с цветовой температурой 2850 К.

Для определения τн и τсп подают на фоторезистор рабочее на­пряжение и освещают его прямоугольными импульсами света с заданной освещенностью, получают на экране осциллографа устойчивую кривую нарастания и спадания фототока во времени. Включив метки време­ни на осциллографе определяют значения τн и τсп путем подсчета числа калибровочных меток вре­мени на участках нарастания и спадания фототока до требуемого уровня 63% от установившегося значения тока.

У всех фоторезисторов постоянные времени по нарастанию и спаданию не равны. В большинстве случаев значение τн превышает величину τсп при определенном сопротивлении Rн. Постоянные времени τн и τсп зависят от материала фоторезистора, освещен­ности Е, сопротивления Rн, величины приложенного напряжения, окружающей температуры и характера освещения (частичное или полное освещение светочувствительного слоя).

Инерционность фоторезистора, характеризуемая постоянной вре­мени τ, свидетельствует о скорости реакции фоторезистора на воз­действие светового потока. Фотоэлектрическая инерционность фото­резистора приводит к тому, что когда на светочувствительный слой фоторезистора падает переменный световой поток с частотой моду­ляции ν, то фототок зависит от частоты модуляции светового потока (частотная характеристика фоторезистора). С увеличением частоты модуляции светового потока величина переменной составляющей фототока уменьшается в различной степени для разных типов фото­резисторов.

Для исследования частотной характеристики фоторезистора используется схема рис. 2. Переменное напряжение, сни­маемое с нагрузочного сопротивления Rн измеряется милливольтметром или осциллографом. Оно пропорционально фото­току ().

Частота модуляции светового потока изменяется механическим прерывателем.

^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Цель работы: изучение основных физических закономернос­тей, определяющих свойства фоторезисторов, снятие их характеристик и определение параметров.
^ Приборы и принадлежности: микроамперметр; вольтметр для постоянного тока (15—150 В); реостат; источник постоянного тока; электромотор с прерывателем света; магазин сопротивлений (РЗЗ); осциллограф; люксметр; фоторезисторы (ФСК, ФСД, ФСА и др.); монохроматические фильтры или монохроматор УМ-2.

Порядок выполнения работы
1. Собрать схему (рис. 1) и снять:

  • вольт-амперную характеристику при заданной освещенности;

  • световую характеристику при рабочем напряжении на фоторезисторе;

  • спектральную, зависимость фототока, проводя измерения с раз­ными монохроматическими светофильтрами или при освещении монохроматическим светом от монохроматора при рабочем напряжении на фоторезисторе.

2. Построить вольт-амперную , световую и спектральную характеристики для исследуемого фоторе­зистора. Чтобы построить спектральную характеристику фоторе­зистора, необходимо на графике зависимости фототока от длины волны построить кривую распределения энергии в спектре источ­ника света, а затем разделить ординаты первой кривой на соответ­ствующие ординаты второй кривой. Результирующая кривая будет являться спектральной характеристикой фоторезистора.

3. Вычислить для исследуемого фоторезистора:

  • интегральную и удельную чувствительности (Ки,Ку);

  • темновое сопротивле­ние Rт, сопротивление при освещении Rс, фотопроводимость Δσ, крат­ность изменения сопротивления, относительное изменение сопротивления для рабочего напряжения и освещенности Е = 200 лк.

4. Собрать схему (рис. 2), получить на экране осциллографа устойчивую релаксационную кривую при освещении фоторезистора прямоугольными световыми импульсами.

5. Зарисовать кривые релаксации фототока при освещении фото­резистора прямоугольными световыми импульсами и определите постоянную времени нарастания τн и спадания τсп. По данным из­мерения τсп оценить релаксационное (эффективное) время жизни носителей заряда в полупроводниковом материале фоторезистора.
Вопросы для самоконтроля


  1. Что такое эффект фотопроводимости в полупроводниках?

  2. Что такое фоторезисторы, их характеристики и параметры?

  3. Какие основные достоинства и недостатки фоторезисторов?

  4. Где применяются фоторезисто­ры?


Литература


    1. А.Н. Пихтин. Оптическая и квантовая электроника.–М.: «Высшая школа», 2001.

    2. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.Н. Введение в оптоэлектронику. - М.: «Высшая школа», 1991.

    3. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. - М.: Радио и связь, 1989.

    4. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. –Л.: «Машиностроение», 1986.



^
ТЕМА 2. ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ




  1. Эффект Дембера.

  2. Механизм образования фото – э.д.с. в полупроводниках с электронно-дырочным переходом.

  3. Основные соотношения для фотодиодов.

  4. Основные параметры и характеристики фотоэлементов и фотодиодов.


Явление возникновения фото-ЭДС между двумя разнородными полупроводниками или между полупроводником и металлом, разделенными электрическим переходом, под действием электромагнитного излучения оптического диапазона, называется фотогальваническим эффектом.

Данный эффект применяется в таких оптоэлектронных приборах как фотоэлементы и фотодиоды.

Каждый фотоэлемент характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и пределы его применимости в технике. К основным из них относятся: вольт-амперная, световая, частотная и спектральная характеристики, интегральная и спектральная чувствительности, к.п.д.

Нагрузочные вольт-амперные характеристики выражают зависимость тока нагрузки Iн от напряжения на фотоэлементе при включении его на различные нагрузочные сопротивления и постоянной освещенности . Эта зависимость имеет вид

(1)

При Rн=0 точка, лежащая на оси токов, соответствует току Iк.з. , так как при Rн=0 и из выражения (1) имеем : , т.е. точка пересечения вольт-амперной характеристики с осью токов дает значение

При Rн точка, лежащая на оси токов, соответствует фото-э.д.с., так как при Rн Iн=0 и из выражения (1) имеем: , т.е. точка пересечения вольт-амперной характеристики с осью напряжений дает значение фото-э.д.с.

Если освещенный фотоэлемент замкнут на сопротивление Rн, то в цепи установится ток Iн , величина которого определяется качеством фотоэлемента , интенсивностью освещения и величиной этого сопротивления. Вольт-амперные характеристики для нескольких значений освещенности представляют собой ряд кривых, смещенных друг относительно друга , причем ток Iк.з. в широких пределах изменения светового потока пропорционален ему (), а фото-э.д.с. стремится к насыщению.

Световые (интегральные) характеристики выражают зависимость фото-э.д.с., тока короткого замыкания и тока нагрузки от освещенности или светового потока: 1) , 2) , 3) . Зависимость тока () от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна, а характеристики, выражающие зависимость тока нагрузки от освещенности, нелинейны. Нелинейность между током во внешней цепи и освещенностью будет тем больше, чем больше нагрузочное сопротивление, что ограничивает применение фотоэлементов для некоторых фотометрических измерений.

Частотные характеристики выражают зависимость тока в цепи фотоэлемента от частоты модуляции светового потока при постоянной освещенности и сопротивлении нагрузки . Когда на поверхность фотоэлемента падает переменный световой поток с частотой модуляции vм, то сила возникающего при этом тока Iн зависит от vм. С увеличением vм сила тока Iн уменьшается из-за инерционности фотоэлементов.

Спектральные характеристики выражают зависимость фототока на единицу падающего светового потока от длины волны падающего света. .

Для снятия характеристик фотоэлемента собирают схему (рис. 1).

При снятии вольт-амперной (нагрузочной) характеристики уста­навливают определенное значение освещенности, которое измеряют люксметром, а затем измеряют величину тока Iн в цепи фотоэлемента при изменении сопротивления Rн от 0 до .

Вычислив напряжение при различных значениях тока ^ Iн строят график зависимости , по которому определяют Iкз и , где Rг – внутреннее сопротивление фотоэлемента.

При снятии световой характеристики устанавливают определен­ное значение сопротивления (например, ^ Rн = 1000 Ом), затем на­ходят величину тока Iн в цепи фотоэлемента при изменении осве­щенности от 0 до максимального значения и строят график: .


Рис. 1. Принципиальная схема для снятия характеристик и наблюдения релак­сации фототока в цепи фотоэлемента:

Д — двигатель с прерывателем света; R — реостат; О — осветительная лампа; ЛК — люксметр; Е — фотоэлемент; мА — микроамперметр; Rн — магазин сопро­тивлений (Р-33); V — вольтметр; О — осциллограф
При снятии частотной характеристики устанавливают опреде­ленное значение сопротивления Rн (например, Rн = 1000 Ом) и освещенности Е, находят величину тока Iн. Затем включают моду­лятор света и находят величину тока Iн при различных частотах прерывания светового потока. Прерыватель света представляет собой электромотор постоянного тока, на оси которого насажен дисковый обтюратор с т вырезами. За один оборот обтюратор перекрывает световой поток т раз. Число оборотов электромотора ре­гулируется реостатом R и измеряется тахометром, при этом частота модуляции света равна (n число оборотов за 1 с).

При снятии спектральных характеристик используется монохроматор или набор монохроматических фильтров, а осветительной лампой служит лампа накаливания с известным распределением энергии по длинам волн.

Освещая фотоэлемент светом различной длины волны, находят зависимость фототока от длины волны . Ток измеряется микроамперметром, внутреннее сопротивление которого значитель­но меньше сопротивления фотоэлемента.

Для получения спектральной характеристики необходимо по­строить график зависимости и на нем кривую распределе­ния энергии по длинам волн, а затем разделить ординаты кривой на соответствующие ординаты кривой распределения энергии . Найденные значения отношений — спектральная характеристика фотоэлемента.


Рис. 2. Принципиальная схема для снятия характеристик и наблюдения релаксации фототока в цепи фотодиода
Для снятия характеристик фотодиода собирают схему рис. 2. На фотодиод подается регулируемое напряжение с потенцио­метра R1. При снятии вольт-амперной, световой и спектральной характеристик темновой ток и ток при освещении фотодиода изме­ряют микроамперметром, при снятии частотной характеристики он регистрируется осциллографом. Освещенность измеряется люкс­метром.

В фотодиодах инерцион­ность в фотодиодном режиме оп­ределяется временем диффузии t0 неосновных носителей к р—п-переходу

(1)

(при включенном свете) и

(2)

(при выключенном свете),

здесь Iф.ст — стационарное значение фототока при данной освещенности, а инерционность в ре­жиме фото-э.д.с.— временем жизни τ неосновных носителей заряда

(3)

и

(4)

Величины t0 и τ называют постоянными времени релаксации или постоянными времени фотодиода (t0) и фотоэлемента (τ). Постоян­ная времени (t0 или τ) — время, в течение которого фототок в цепи фотодиода или фотоэлемента при затемнении уменьшается в е (2,7) раз. Для определения постоянной времени фотоэлемента τ и фото­диода t0 используются схемы (рис. 1 и 2).

При освещении фотоэлемента прямоугольными световыми им­пульсами (см. рис. 1) фототок в цепи фотоэлемента будет изме­няться по законам (3) и (4). Если с нагрузочного сопротив­ления фотоэлемента подать напряжение на вертикальный вход осциллографа, то на экране осциллографа получится кривая ре­лаксации фототока. Так как при затемнении фотоэлемента за время t = τ происходит уменьшение фототока приблизительно в 2,7 раза, то постоянную времени τ можно определить, исследуя спад фототока со временем на экране осциллографа при включенных метках времени.

Получив на экране осциллографа устойчивую релаксационную кривую, включают метки времени и отсчитывают число меток N, укладывающихся на участке релаксационной кривой, на котором фототок уменьшается в 2,7 раза, или на 63% от стационарного зна­чения фототока. Тогда постоянная времени фотоэлемента τ =N τ °, где τ ° — цена деления метки времени осциллографа.

В фотодиодном режиме изменение фототока при затемнении фотодиода происходит по закону (2).

При определении постоянной времени t0 фотодиода на него подается рабочее напряжение и он освещается прямоугольными световыми импульсами. На экране осциллографа получают устой­чивую релаксационную кривую, по которой определяют t0 путем подсчета числа меток N1, укладывающихся на участке релаксацион­ной кривой, на котором фототок уменьшается в 2,7 раза (t0=N1τ°).

^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Цель работы: снятие основных характеристик фотогальванических эле­ментов и фотодиодов.

Приборы и принадлежности: потенциометр; микроамперметр; вольт­метр (30 В); реостат; люксметр; магазин сопротивлений (РЗЗ); источник света с конденсором; модулятор света (механический прерыватель); монохроматор или набор монохроматических фильтров; осциллограф; источник пос­тоянного тока (30 В); фотоэлементы (кремниевый, селеновый и др.); фотодиоды.

Порядок выполнения работы


  1. Собрать схему (рис. 1) и для фотоэлемента снять:

  • вольт-амперную нагрузочную характеристику при опре­деленном значении освещенности;

  • световые характеристики в режиме короткого замыкания и при различных значениях сопротивления нагрузки;

  • частотные характеристики при опре­деленном значении освещенности и различных значениях сопро­тивления нагрузки.

  1. Построить графики снятых характеристик:

  1. ;

  2. ;

  3. .

  1. Определить по вольт-амперной характеристике фотоэлемента фото-э.д.с. и ток короткого замыкания.

  2. Для снятия характеристик фотодиода использовать схему, представленную на рис.2.

  3. Снять спектральные характеристики для исследуемого фотодиода и фотоэлемента, определите спектральную чувствительность фотодиода и фотоэлемента.

  4. Пронаблюдать кривые релаксации фототока при освещении фотоэлемента и фотодиода прямоугольными световыми импульсами. Оценить по кривым релаксации фототока постоянную времени τ и t0 (см. рис. 2).

  5. Зарисовать кривые релаксации фото-э.д.с. при большом уровне освещения.


Вопросы для самоконтроля


  1. Каков механизм образования фото-э.д.с. при осве­щении р—n-перехода?

  2. В чем отличие фотодиодного и фотогальванического режимов работы фотодиода?

  3. Что такое инерционность фотодиодов и фотоэлементов?

  4. Как зависит величина фототока и фото-э.д.с. от величины свето­вого потока, падающего на фотоэлемент?

  5. Какие основные характеристики и параметры фотоэлементов и фотодиодов?


Литература


  1. А.Л. Булычев и др. Электронные приборы.– Минск.: «Вышэйшая школа»,1999.

  2. С.В.Рывкин. Фотоэлектрические явления в полупроводниках.–М.: «Высшая школа»,1963.

  3. А.Н. Пихтин. Оптическая и квантовая электроника.–М.: «Высшая школа», 2001.

  4. Быстров Ю.А. Оптоэлектронные приборы и устройства. – М.: издат. предприятие. РадиоСофт, 2001.


^ ТЕМА 3. ИНТЕГРАЛЬНАЯ И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА


  1. Процессы в оптическом волноводе.

  2. Различные типы оптических волноводов, их характеристики.

  3. Элементы волоконной оптики, ввод-вывод излучения в интегрально-оптических волноводах.

  4. Механизмы потерь в световых волокнах.


Знание числовой апертуры необходимо для уменьшения потерь, как в устройствах ввода-вывода излучения, так и приходящихся на механические и сплавные сочленения световодов. Несогласованность параметров, не сочленяемых световодов в целом, может привести к очень существенным потерям в линиях из стандартных многомодовых градиентных световодов. Наиболее сильное влияние на потери оказывает несогласованность числовых апертур.

Для определения числовой апертуры в ступенчатом световоде рассмотрим распространение света в нем (см. рис.1). Свет в таком световоде содержит два типа мод: моду, которая распространяется вдоль оптической оси (луч АА') и группу мод, ко­торая распространяется под углом к оптической оси, многократно отражаясь от границы сердцевина - оболочка (луч ВB'). Луч ВB' рас­пространяется вдоль волокна путем многократных отражений от границы сердцевина - оболочка и не ослабляется при условии, что угол падения луча на границу раздела больше критического угла Для выполнения этого условия необходимо, чтобы угол наклона луча к оптической оси световода был меньше , а угол падения луча из воздуха () на торец волокна был меньше оп­ределенного угла .



Рис. 1. Распространение света в оптическом волокне
Рассчитаем углы и , приняв . Согласно закону Снелля,

(1)

При угле падения, равном критическому,

(2)

(3)

Выразим через показатели преломления сердцевины и оболочки.

Из (3) следует, что

(4)

(5)

Введем обозначения:

(6)

(7)

Тогда получим:

(8)

С ростом угла возрастает доля светового потока, который рас­пространяется в оптическом волокне за счет полного внутреннего отражения. Величину называют числовой апертурой волокна NА:

(9)

Таким образом, все лучи, падающие на торец волокна под углом меньше , распространяются в сердцевине световода. Излучение, за­ключенное внутри конуса с углом при вершине , представляет собой каналируемые моды. Если , то луч света СС' не отражается от границы и вводится в оболочку. Эта часть излучения представ­ляет собой вытекающие или оболочечные моды. Вытекающие моды удерживаются в оболочке, если выполняется условие полного внутрен­него отражения на внешней границе оболочки. Если это условие не вы­полняется, то лучи выходят из оболочки — излучаемые моды. При больших длинах светопередачи вытекающие лучи поглощаются в обо­лочке (она менее прозрачна, чем сердцевина) и в процессе светопереда­чи по волокну участвуют только внутриапертурные направляемые лучи.

Используя (9) и рис.2, возможно получить выражение для допустимой числовой апертуры изогнутого световода

NА = sin = , (10)

где D – диаметр световедущей жилы; R – радиус изгиба световода.

Из сравнения выражений (9) и (10) следует, что числовая апертура для изогнутого световода меньше, чем для прямого. Решающей для воздействия на числовую апертуру путем изгиба является величина D/R. Ее значение существенно меньше 1, так как RD при соблюдении минимальных радиусов изгиба световода, и уменьшение числовой апертуры составляет несколько процентов.

Для измерения числовой апертуры световода применяется метод «трех колец», который базируется на световом явлении «трех колец». Наблюдения светового торца световода показали, что при падении оптического пучка на его входной торец под углами, меньшими апертурного, торец сердцевины имеет яркость значительно большую, чем торец оболочки. При углах падения пучка, превосходящих апертурный большую яркость имеет торец оболочки.

Рис.2. Распространение света в изогнутом световоде
Наибольший интерес представляет случай при подаче направленного пучка лучей на входной торец световода под углом падения, равным апертурному углу (0). При этом торец сердцевины и оболочки имеют одинаковую яркость, но граница их раздела представляет собой ярко светящееся кольцо. Причиной этого является распространение граничного луча вдоль границы раздела сердцевины и оболочки.

Согласно Выражению (1) числовая апертура находится в прямой зависимости от апертурного угла. Эта зависимость и положена в основу метода «трех колец» для измерения числовой апертуры волоконных световодов.

Оптическая схема для измерения числовой апертуры этим методом приведена на рис.3.

Луч лазера 1 пройдя телескопическую систему 2 с помощью объектива 3 фокусируется на входной торец световода 4, закрепленном на поворотном столе. Стол вращается таким образом, что его ось вращения проходит через центр входного торца световода. Выходной торец рассматривается через микроскоп или не экране 5. Четкое кольцо на границе световедущая жила – оболочка наблюдается при определенном угле падения оптического луча. В этой точке световедущая жила становится темной. Далее стол вращается в противоположном направлении, и снова под определенным углом падения наблюдается аналогичное яркое кольцо на границе раздела. Половина суммы этих двух показаний составляет угол числовой апертуры.



Рис.3. Оптическая схема для измерения числовой апертуры световода
^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Цель работы: изучение метода «трех колец» и измерение числовой апертуры световода.
Приборы и принадлежности: Не-Nе – лазер, телескопическая и фокусирующая системы, световод, микроскоп.
Порядок выполнения работы.


  1. Собрать схему для измерения числовой апертуры представленную на рис.3.

  2. С помощью фокусирующей системы направить излучение лазера в центр световодного торца.

  3. Методом «трех колец» определить угол числовой апертуры. Измерения провести ни менее пяти раз.

  4. Аналогичные измерения провести для случая изогнутого световода.


Вопросы для самокнтроля


  1. Как распространяется свет в волоконных световодах?.

  2. Какие оптические параметры и характеристики волоконных световодов?

  3. Какие существуют методы измерения числовой апертуры световодов?


Литература.


  1. Элион Г., Элион Х. Волоконная оптика в системах связи; Перевод с английского / Под ред. Е.М. Дианова, - М.; Мир, 1981.

  2. Хансперджер Р. Интегральная оптика. Теория и технология; ; Перевод с английского / Под ред. В.А. Сигутова – М.: Мир, 1985.

  3. Свечников Т.С. Элементы интегральной оптики, - М.: Радио и связь, 1987.

  4. Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г. Световодные датчики. – М.: «Машиностроение», 1990

^ ТЕМА 4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ


  1. Фотопроводимость.

  2. Основные величины и соотношения, характеризующие фотопроводимость.

  3. Время жизни неравновесных носителей заряда и релаксация фотопроводимости.

  4. Фототок, коэффициент усиления по фототоку.


Для измерения биполярной подвижности носителей заряда на поверхность образца проектируется узкая поперечная полоска лазерного излучения (освещение постоянное). В её окрестности устанавливается стационарное распределение неравновесных электронов и дырок. На некотором расстоянии от лазерного пучка к образцу прижимается коллекторный зонд, соединенный с входом вертикального отклонения осциллографа (рис.1).


He-Ne-лазер


Рис. 1. Схема измерения биполярной подвижности

(образец n - типа).

На образец подается импульс тянущего напряжения такой полярности, чтобы область избыточной концентрации совершала дрейфовое движение по направлению к коллекторному контакту. Одновременно на коллектор подается импульс запирающего напряжения такой величины, чтобы скомпенсировать падение напряжения на участке образца между коллектором и заземленным концом, обусловленное тянущим полем. Эта компенсация нарушается, когда в процессе дрейфа в окрестности коллекторного контакта появляются неравновесные носители заряда. Время дрейфа неравновесных носителей от освещаемой области до коллектора определяется по участку осциллограммы от начала тянущего импульса до вершины всплеска напряжения, вызванного нарушением компенсации. Измерив времена дрейфа для двух расстояний между световой полоской и коллектором, легко определить дрейфовую скорость перемещения области скопления неравновесных пар:

(1)

Отрезок измеряется при помощи индикатора перемещений, а промежуток времени - по меткам времени на экране осциллографа.


  1   2   3   4

Добавить документ в свой блог или на сайт

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза