Светодиоды с антистоксовыми люминофорами

Так как квантовый выход диодов, излучающих инфракрасный свет, значительно выше выхода диодов, излучающих в видимой области, существует возможность использования инфракрасных диодов для получения видимого излучения с помощью так называемых антистоксовых люминофоров.

В качестве антистоксовых люминофоров используют фториды, оксисульфиды лантана и другие соединения, активированные интербием и эрбием, например, люминофор La₂O₃S:Yb, Еr, с помощью которого может быть получено зеленое свечение яркостью до 400 кд/м² при плотности тока через диод 5 А/см². Общий квантовый выход такого двойного преобразования электрической энергии в световую не превышает 1%, но примерно такой же квантовый выход имеют и светодиоды из GaP с зеленым излучением. Таким образом, применение диодов с антистоксовым преобразованием энергии может быть оправданным, особенно в случае необходимости получения повышенной яркости зеленого излучения. Быстродействие диодов с антистоксовыми люминофорами определяется процессами в люминофорах и может быть ниже, чем у обычных светодиодов.

4.4. Источники света с электролюминофорами (электролюминесцентные ячейки, конденсаторы)

Светодиоды являются почти точечными источниками света (площадь излучаемой поверхности не превышает 1 мм²). В ряде случаев требуются электролюминесцентные источники света большой площади, которые могут быть получены с помощью слоев порошкообразных люминофоров толщиной около 50 мкм или пленок толщиной около 1 мкм. В качестве люминесцирующего вещества обычно используют сульфид цинка (ширина запрещенной зоны 3,7 эВ), позволяющий получать люминесценцию в видимой области при введении примесей, например меди (зеленое излучение), серебра (синее) и марганца (желто-оранжевое).

Д ля того, чтобы дырки, образующиеся при ударной ионизации атомов кристаллической решетки, не выходили в металлический электрод и не "пропадали" с точки зрения получения видимого света, зерна порошка (размером менее 10 мкм) распределяют в слое твердого диэлектрика, а пленку люминофора изолируют от обоих электродов тонкими слоями диэлектрика.

К электролюминесцентным источникам света относятся электролюминесцентные ячейки и электролюминесцентные конденсаторы. Электролюминесцентные ячейки применяются только в индикаторных панелях.

Электролюминесцентные конденсаторы (рис.4.7) представляют собой структуру из слоя люминофора 3, двух пленочных электродов 2 и 4 (электрод 2 - полупрозрачный), прозрачной подложки 1 и защитного слоя 5.

Приложенное к люминофору внешнее напряжение вызывает разогрев кристаллической решетки, появляются электроны с повышенной энергией, это приводит к ионизации решетки. При смене полярности или отключении внешнего напряжения электроны диффундируют к центрам ионизации и рекомбинируют с ними. При этом излучается энергия.

4.5. Лазеры (оптические квантовые генераторы)

Слово лазер (laser) образовано начальными буквами английский слов light amplification by stimulated emission of radiation, что в переводе означает усиление света с помощью вынужденного излучения (было рассмотрено в лекции 2).

Для получения индуцированного (вынужденного) излучения требуется активная среда, система накачки и система усиления.

Активная среда в лазерах может быть: твердой, жидкой, газообразной; полупроводниковой (p-n - переход). Соответственно, по типу активной среды лазеры делятся на твердотельные (на кристалле рубина с примесью 3-х валентного хрома Al₂O₃:Cr³⁺, на стекле с примесью 3-х валентного неодима Nd³⁺, на кристалле иттриево-алюминиевого граната с примесью неодима Y₃Al₃O₁₂:Nd³⁺), газовые (гелий-неоновые, на углекислом газе и т.д.), жидкостные (на органических красителях), полупроводниковые (активная среда – p-n – переход).

Способы накачки также разнообразны: химические, оптические, инжекционные токи и другие.

Положительная обратная связь бывает двух типов: дискретная и распределенная. В первом случае она осуществляется оптическим резонатором, состоящим из зеркал или призм и находящемся вне лазерной среды. В твердотельных и полупроводниковых лазерах роль зеркал выполняют полированные противоположные грани кристалла. Во втором случае - за счет полного внутреннего отражения, возникающего в лазерной среде при периодическом изменении ее показателя преломления (вдоль направления распространения света).

Рассмотрим действие резонатора, состоящего из 2-х параллельных плоских зеркал, одно из которых полупрозрачное (резонатор Фабри – Перо). Излучение возбужденных атомов активной среды многократно проходит между зеркалами резонатора. В результате в резонаторе формируется электромагнитное поле, представляющее собой набор стоячих волн. Из многих волн, возникающих в активной среде, усиливаться будут лишь те, длина волны которых на удвоенной длине резонатора (прямой и обратный проход) укладывается целое число раз. В этом случае прямая и обратная волна будут усиливаться в результате интерференции.

Длина волны λ_n находится из условия существования стоячих волн:

,

где L - длина резонатора; n - коэффициент преломления среды; N_z - число пересечений оси z резонатора кривой распределения электрического поля моды.

Длина λ_n стоячей волны определяет тип колебаний резонатора (или моду). В резонаторе одновременно может возбуждаться много мод. Работу в узком диапазоне частот можно обеспечить, помещая внутрь резонатора селективный элемент, выделяющий одну из мод. Таким образом, лазер является устройством, позволяющим сосредотачивать всю энергию излучения в конечном числе мод.

Оптический резонатор формирует и волновой фронт излучения. В результате многократного прохождения между зеркалами усиливаться будут только волны, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Эти волны вовлекают в процесс излучения частицы, расположенные на их пути. Поэтому излучение выходит из резонатора почти параллельным пучком, т.е. имеет почти плоский волновой фронт (является узконаправленным). Волны, распространяющиеся под углом к оси, не доходят до зеркал и покидают активную среду, не получив усиления. Линейный угол расходимости θ лазерного луча определяется лишь дифракцией на зеркалах и находится из выражения:

,

где D – диаметр пучка внутри резонатора.

Благодаря малой угловой расходимости лазерного излучения оно может быть сфокусировано на очень малой площади, линейный размер которой ≈ λ.

Лазерный эффект возникает, если общие потери в структуре с обратной связью меньше, чем усиление.

Для возникновения колебаний в лазере надо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, необходимую для компенсации потерь в резонаторе и усиления оптического излучения. Минимальный необходимый для генерации коэффициент усиления S_min или так называемый пороговый коэффициент усиления, уравновешивающий потери α, выражается как:

.

Достоинства лазерного излучения: высокая монохроматичность, высокий уровень выходной мощности, хорошая синфазность, высокая когерентность, малая угловая расходимость.

Характерные особенности лазерного излучения:

1. монохроматичность (обусловлена резонансными переходами частиц между уровнями);

2. узконаправленность (связана с тем, что испускаемые волны многократно отражаются от стенок резонатора и распространяются вдоль его оси);

3. значительная выходная мощность (т.к. в излучении участвует большое количество возбужденных частиц, совпадение фаз отдельных колебаний приводит к существенному увеличению амплитуды по мере распространения волны в активной среде).

Лазеры классифицируют по длине волны излучения (рентгеновские, ультрафиолетовые, видимого диапазона, ближнего и дальнего ИК-излучения).

Лазеры могут быть непрерывного действия или импульсными (длительность ≈10^-8..10^-9с). С помощью оптической системы возможна дополнительная фокусировка, а, следовательно, получение очень высокой плотности потока. Рассмотрим такой пример: пусть лазер излучает энергию 1 Дж импульсом 10^-8 с, при этом мощность составляет 10⁸ Вт. Если сфокусировать это излучение на пятно диаметром 0,1мм, то плотность потока будет 10⁸ Вт/10^-4 см² = 10¹² Вт/см². Для сравнения, если на металл попадает поток излучения плотностью 10⁵ Вт/см² начинается плавление, при 10⁷ Вт/см² – кипение, при 10⁹ Вт/см² – ионизация паров вещества.