2. Випромінювачі та їх характеристики

Випромінювання енергії речовиною (як і поглинання) здійсню­ється тільки певними порціями — квантами. У квантовій механіці використовується напівкласичний опис процесів випромінюван­ня, згідно з яким властивості часток та їх сукупностей описують за­конами квантової механіки, а випромінювання — законами кла­сичної фізики. Таким чином, елементарні випромінювачі (атоми, молекули тощо) розглядають як квантові системи, які мають внут­рішню енергію, що набуває тільки певних дискретних значень. Сукупність можливих значень енергії називають енергетичним спектром та зображують зазвичай у вигляді декількох горизон­тальних відрізків — енергетичних рівнів (рис. 1.2). Кожний рівень має населеність (концентрацію частинок з даною енергією в оди­ниці об’єму). Рівень з найменшою енергією зветься основним (незбудженим), інші — збудженими.

Миттєвий перехід частки з одного рівня (W₂) на інший (W₁) на­зивають квантовим переходом. Якщо W₂ > W₁ (рис. 1.2), система віддає енеергію W = W₂-W₁ і навпаки, зворотний перехід з W₁ на W₂ потребує додаткової енергії W = W₂-W₁ що її система погли­нає. Якщо квантові переходи супроводжуються генерацією чи по­глинанням фотона, вони звуться оптичними.

Взаємодія випромінювання з речовиною призводить до бага­тьох явищ та ефектів. Для оптоелектроніки важливими є явища, які супроводжуються генерацією та поглинанням фотонів. Розріз­няють такі переходи: спонтанні, змушені з випромінюванням і змушені з поглинанням.

Рис. 1.2. Трирівнева (а) і чотирирівнева (б) енергетичні системи

Спонтанні переходи — це мимовільні квантові переходи часток зі збудженого стану в основний або інший збуджений стан з мен­шою енергією.

Конкретний момент спонтанного переходу у часі невідомий, можна говорити тільки про ймовірність цих переходів, що не зале­жить від температури й пропорційна кубу частоти. Спонтанні пере­ходи незалежні один від одного, випромінювані фотони мають різні фази, напрямки поширення й поляризації. Інакше кажучи, спонтанне випромінювання, характерне для звичайних (не лазер­них) джерел світла, є ненаправленим, неполяризованим і некоге- рентним.

Перехід частки зі збудженого стану в стан з меншою енергією може бути прискорений зовнішнім електромагнітним випроміню­ванням, частота якого задовольняє умові v = h / W_f . У цьому разі квантові переходи й виникаюче випромінювання називаються змушеними (індукованими). Характерною рисою змушеного ви­промінювання є його повна тотожність зовнішньому випроміню­ванню за частотою, фазою, напрямком поширення й поляризації, але воно має більшу інтенсивність. Інакше кажучи, у процесі зму­шених переходів відбувається когерентне посилення електромаг­нітного випромінювання, у результаті чого випромінювання стає спрямованим, поляризованим і когерентним. Можливі й зворотні переходи, коли фотони з енергією W_f = hv зникають. Такі переходи пов’язані з резонансним поглинанням і називаються змушеними переходами з поглинанням.

Випромінювання, яке отримують завдяки переходу між двома фіксованими рівнями, є монохроматичним, тобто має одну часто­ту. Поняття «монохроматичність» є умовним, тому що абсолютно монохроматичних коливань не існує. Реально змушене випромі­нювання є « квазімонохроматичним », тобто має вигляд спектра із середньою частотою у₀ и шириною спектральної лінії Ау за рівнем половинної інтенсивності. Ширина спектральної лінії випроміню­вання Ау пов’язана із шириною енергетичного рівня А\¥, який, у свою чергу, визначається часом життя часток у збудженому стані т через співвідношення невизначеності

Під часом життя розуміється час, протягом якого населеність збудженого рівня зменшується в е = 2,7 разів. При цьому τ = 1 /Р_сп, де Р_сп — імовірність спонтанних переходів. На підставі вищевик- ладеного, мінімально можлива (природна) ширина спектральної лінії випромінювання

Форма ліній випромінювання й поглинання однакова і описуєть­ся нормованою функцією I(v), що називається функцією Лоренца.

Мінімально можлива спостерігається для не взаємодіючих часток і в оптичному діапазоні може скласти 10 — 20 МГц. Зазви­чай спектральні лінії значно ширші, оскільки істотну роль, крім спонтанних і змушених переходів, відіграють безвипромінювальні. релаксаційні процеси. Наприклад, зіткнення атомів призводять до зменшення часу життя електронів на енергетичному рівні. Це однорідні розширення, тому що спектри всіх часток розширюють­ся однаково. Форма спектральної лінії при цьому не змінюється.

Якщо резонансні частоти різних часток не збігаються, то розши­рення називається неоднорідним. У твердих тілах неоднорідне роз­ширення пов’язане, в основному, з неоднорідністю середовища и теплових коливань кристалічної ґратки.

Усі види джерел світла можна поділити на теплові та люмі­несцентні.

Теплове випромінювання — електромагнітне випромінювання речовини, яке виникає за рахунок внутрішньої енергії. Атоми та молекули речовини постійно обмінюються квантами енергії, серед­ній розмір яких пропорційний абсолютній температурі Т. Разом і тим цей розмір може коливатися біля середнього з амплітудою, обернено пропорційною ймовірності її появи. Загалом енергетичний спектр речовини, яка перебуває у стані теплової рівноваги, має рівні, населеність яких монотонно зменшується зі зростанням енергії рівня.

Спектральна щільність теплового випромінювання абсолютно чорного тіла, нагрітого до температури Т, визначається формулою ланка:

, (1.5)

де k — стала Больцмана. Високі температури випромінювача (T >2500...3500 К) призводять до того, що частина спектра теплового випромінювання падає на видиму область. Слід мати на увазі, що у всіх випадках присутнє довгохвильове випромінювання (рис. 1.3). Для максимуму кривих Планка відомі співвідношення:

Рис. 1.3. Спектр теплового випромінювання абсолютно чорного тіла (криві Т - 6000 К і Т = 300 К характеризують відповідно випромінювання Сонця і людини)

(Закон Віна)

,

Де λ [мкмк] ; T [K]; f [Вт/(м² · мкм)] .

Люмінесценція — ви­промінювання, яке викли­ки не зовнішнім збуджен­ії м м та має потужність, що перевищує інтенсивність іч і нлового випромінювання ні даної температури і яке зберігається протягом: деякого часу після закінчення збудження, що його викликало.

Для того щоб отримати посилення, необхідні змушені переходи з випромінюванням. До підведення енергії накачування (рис. 1.2, а) всі частки перебувають на нижньому енергетичному рівні W₁, та­кий стан називається рівноважним.

При підведенні зовнішньої енергії накачування всі частки пере­ходять на верхні рівні збудження. Ці рівні мають загалом різну енергію та термін релаксації, але через деякий час всі частки зби­раються на метастабільному рівні W₂ (метастабільним називають такий енергетичний рівень, з якого електрони не можуть піти без зовнішнього енергетичного впливу) (рис. 1.2, а). Чим більше час­ток буде на верхньому рівні W₂ (рис.1.2), тим вища ймовірність переходів W₂ > W₁. Для цього термодинамічна рівновага середови­ща повинна бути порушена підведенням ззовні досить значної енер­гії накачування. Такий стан середовища називається нерівноваж- ним, або інверсним. Середовище при цьому називається активним.

Активне середовище має запас енергії для посилення випромі­нювання. Принцип квантового посилення, на відміну від класично­го, заснований на складанні енергій безлічі ідентичних коливаль­них систем: атомів, молекул, іонів. При цьому кожний змушений перехід супроводжується виділенням додаткового фотона.

Повернення цих електронів з рівня W₂ на W₁ супроводжується генерацією фотонів з довжиною хвилі

, (1.6)

де λ у мікрометрах; W₂, W₁ — в електрон-вольтах.

Резонансний фотон, що потрапляє до активного середовища, породжує К однакових монохроматичних фотонів (К — коефіцієнт посилення). Зі зростанням інтенсивності потоку фотонів у процесі проходження активного середовища зростає ймовірність змуше­них переходів, але наступає момент, коли швидкість зменшення населеності верхнього рівня стане більшою за швидкість його засе­лення під дією накачування, що зменшує коефіцієнт підсилен­ня К. Граничною інтенсивністю І_гр називається випадок, коли К = 1. Режим квантового посилення має три ділянки: лінійного по­силення, нелінійний і насичення.

Через нелінійний режим імпульсні сигнали спотворюються, тривалість короткого імпульсу при цьому зменшується, і це яви­ще підсилюється при збільшенні амплітуди вхідного імпульсу (за рахунок різкого спаду концентрації часток на метастабільному рівні). У разі пологої форми вхідного імпульсу нелінійні ефекти приводять до його розширення за рахунок насичення.

Динамічний діапазон з боку малих сигналів обмежений власни­ми шумами, а з боку сильних — ефектом насичення. На практиці квантові підсилювачі, в основному, використовуються в далеких ІЧ- і НВЧ-діапазонах (мазери) через їхню нестійкість, однак в останні роки з поширенням волоконних оптичних ліній зв’язку (ВОЛЗ) почали розроблятися квантові підсилювачі видимого діа­пазону у волокні зі скла з неодимом.

На відміну від класичного підсилювача, у якому слабкий сиг­нал фактично керує струмом активного елемента, у квантовому підсилювачі посилення досягається в результаті підсумовування енергій випромінювання величезної кількості атомів, молекул ак­тивної речовини.

Основою будь-якого генератора є підсилювач із позитивним зво­ротним зв’язком. У випадку квантових генераторів зворотний зв’язок забезпечується оптичним резонатором, утвореним зверне­ними друг до друга дзеркалами. Оптичне випромінювання по черзі відбиватиметься від них і підсилюватися при кожному проході че­рез активне середовище, що еквівалентно збільшенню його довжи­ни. Для виведення випромінювання одне із дзеркал робиться напівпрозорим (коефіцієнт відбиття менше одиниці). Регулюю­чи коефіцієнт відбиття, можна змінювати величину зворотного зв’язку.

Лазер — це квантовий генератор оптичного діапазону (laser — англійська абревіатура словосполучення light amplification by sti- mulated émission of radiation).

Трирівнева система найбільш проста та поширена, але досить важливою в практичному використанні є також чотирирівнева система (рис. 1.2, б), де рівні W₂ і W₁ є метастабільними, чи довго­тривалими.

Люмінесценція визначається такими, особливостями процесу: вузький спектр випромінювання й можливість використання ве­ликої кількості способів збудження. Найбільш поширеними в оп­тоелектроніці є електро-, фото-, катодолюмінесценція, а також ін­жекційна люмінесценція.

Характеризуючи параметри випромінювачів та інших опто­електронних приладів у видимому діапазоні, вживають такі фото­метричні поняття, як яскравість, сила світла, світловий потік, освітленість.

Світловий потік Ф [люмен, лм] — світлова енергія W (за зоро­вим відчуттям), що проходить крізь поверхню в одиницю часу t :

. (1.7)

Сила світла І [кандела, кд, основна од. СІ, еталон] — світловий потік Ф, що випускається джерелом в одиничному тілесному куті Ω :

, (1.8)

де Ω — тілесний кут, вимірюваний у стерадіанах (повний тілесний кут дорівнює 4π).

Освітленість Е [люкс, лк] — світловий потік Ф, що падає на оди­ницю площі поверхні S:

(1.9)

Яскравість В [кд/м²] — відношення сили світла І у будь-якому напрямку до площі S проекції випромінювальної поверхні на площину, перпендикулярну цьому напрямку:

(1.10)

Більш універсальною є енергетична система фотометричних по­нять, яка не пов’язана з зоровим відчуттям та може використову­ватись і за межами видимого діапазону. Згідно з нею світловий потік Ф замінюють потужністю випромінювання Р (Вт), замість сили світла І використовують просторову щільність випроміню­вання dP/dΩ (Вт/ср), освітленість Е трансформується в поверхне­ву щільність випромінювання (Вт/м²), а яскравість — у енергетич­ну яскравість (Вт/(м • ер)). Кількісні співвідношення між обома системами для видимого діапазону визначено функцією видності людського ока (розд. 4).

В технічних засобах використовують джерела світла, яскра­вість світіння яких В залежить від керуючої напруги U або стру­му і. Зазначена залежність є найважливішою, та може бути пред­ставлена яскравісною характеристикою

В = В(U і).

Важливою для джерела світла є спектральна характеристика

В = В(λ)

де λ — довжина хвилі світлового випромінювання.

Специфічним параметром є діаграма спрямова ності В=В(0), яка описує залежність яскравості від напрямку випромінювання 0.