5. Представление результатов

Результаты работы должны быть представлены в следующем

виде:

1. Функциональная схема стенда.

2. График вольт-амперной характеристики.

3. График ватт-амперной характеристики.

4. График зависимости квантового выхода от силы тока.

5. График зависимости плотности мощности излучения от расстояния между светодиодом и фотодиодом.

6. Оценки погрешности измерений.

7. Ответы на контрольные вопросы (устно).

6. Контрольные вопросы

1. На каких принципах основана работа светодиода?

2. На каких принципах основана работа фотодиода?

3. Чем отличается светодиод от фотодиода?

4. Чем отличается полупроводниковый светодиод от полупро­водникового лазера?

5. Как определить квантовый выход светодиода?

6. Как определяется угловая расходимость светодиода?

7. В каких единицах измеряется ослабление мощности излу­чения светодиода?

8. Как измерить плотность мощности на единицу поверх­ности?

9. Как изменяется плотность мощности на единицу поверх­ности от расстояния до светодиода?

10. Каким способом можно уменьшить угловую расходи­ мость светодиода?

¹¹вь^^С Т^{РСАеЛИТЬ КачеСТВ0 свет}°даода по его квантовому

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ И ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

1. Цель работы

Исследование пространственного распределения излучения светодиодов, полупроводниковых лазеров и волоконных свето­водов. Определение некоторых характеристик световодов по диа­грамме направленности излучения.

2. Особенности пространственного распределения излучения различных источников

В настоящее время в качестве источников света использу­ют: лампы накаливания, газоразрядные лампы, газовые и твердо­тельные лазеры, полупроводниковые светодиоды и лазеры. Каж­дый из них имеет характерное угловое распределение излучения. Лампы накаливания и газоразрядные имеют разнонаправленное диффузное излучение. Светодиоды имеют направленное излуче­ние с большой угловой расходимостью. Полупроводниковые лазе­ры имеют излучение с разной расходимостью по двум осям коор­динат ортогональных к направлению излучения. Газовые лазеры обладают излучением с очень малой расходимостью (рис.1).

Вид источника, характер излучения и его пространственное распределение определяют возможность использования излучения в оптических системах. Так, например, лампы накаливания имеют непрерывное спектральное распределение, соответствующее излучению "черного тела" при температуре равной температуре спирали (≈2700К). Газоразрядные лампы имеют линейчатый спектр излучения. Их излучение является также диффузным, т.е. рассеивается в разные стороны под разными углами. Это затрудняет фокусировку излучения и использование его в спектроанализаторах.

9

Рис. 1. Пространственное распределение излучения лампы (а), светодиода (б), полупроводникового лазера (в), твердотельного или газового лазера (г)

Светодиоды излучают в сравнительно узком спектральном диапазоне 30-50 нм с ярко выраженным цветом (синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный). Лазеры имеют когерентное излучение с очень узким спектром излучения (3...5 нм). Существуют так называемые одночастотные лазеры с очень узкой спектральной полосой ≈ 100 кГц.

Лампы и светодиоды имеют диффузный характер излучения с излучающей поверхности. Это приводит к тому, что оптическая система не позволяет собрать излучение в пятно менее размера излучающей площади.

Излучение лазера обладает пространственной когерентностью (точки поверхности фронта излучения в каждый момент времени находятся на равном удалении от точек поверхности предшест­вующего момента). Благодаря этому лазерное излучение может быть сфокусировано в пятно соизмеримое с длинной волны излучения.

Количественной характеристикой пространственного распределения излучения от источника является диаграмма направленности излучения (рис. 2), т.е. распределение энергии относительно оси излучения. Обычно у светодиодов излучение имеет вид конуса с круглым сечением. Диаграмму направленности

излучения, или распределение энергии относительно оси светодиода, можно измерить фотоприемником. Параметром, характеризующим расходимость излучения, является ширина диаграммы направленности, или угол расходимости θ. Определяется он как угол между касательными к точкам диаграммы соответствующим 1/2 Р_max (рис. 2 ).

Рис. 2. Распределение энергии излучения световода относительно

оси излучения

Излучение, выходящее из любой оптической системы или из волоконного световода также характеризуются расходимостью (или сходимостью) и характеризуют некоторые свойства оптиче­ской системы.

Излучение, выходящее из волоконного световода, имеет диа­грамму направленности, показанную на рис. 2. Важнейшим пара­метром волоконного световода (оптического волокна) является числовая апертура (ЛИ), определяемая как NA = sinθ. С другой сто­роны, известно, что , где п_с и n_об - показатели прелом­ления сердцевины и оболочки. Используя алгебраические преобразования, найдем:

или

где Δn - разница показателей преломления сердцевины и оболочки световода.

Величина NA является важным параметром световода, опре­деляющим допустимые углы ввода излучения в световод.

Величины θ и NA характеризуют также устойчивость свето­вода к внешним механическим воздействиям.