84

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

А.Л. Камышев

КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Конспект лекций

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2013

УДК 621.38

Дисциплина "Квантовая и оптическая электроника" включает в себя изучение физических процессов, положенных в основу построения и функционирования приборов квантовой и оптической электроники, а также ознакомление с параметрами и характеристиками этих приборов с целью их практического использования.

Предназначено для студентов специальности 210100.65 – «Промышленная электроника».

Рассмотрено на заседании кафедры электронных систем 03.09.12 г.,

Рецензент: В.А. Шпенст, д-р техн. наук, профессор

Автор составитель: А.Л. Камышев, канд. техн. наук, доцент

Введение

Оптоэлектроника – раздел науки и техники, который рассматривает формирования (генерирования), обработки, запоминания, хранения и отображения информации на основе использования электрических и оптических методов.

Элементную базу оптоэлектроники составляют:

1.Оптические излучатели (лазеры, светоизлучающие диоды (СИД));

2.Фотоприемники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т.д.);

3.Приборы, управляющие излучением (модуляторы);

4.Приборы отображения информации – индикаторы (электронно-лучевые трубки, светодиоды и т.д.);

5.Приборы, осуществляющие электрическую изоляцию (гальваническую развязку) входного и выходного электрического сигнала – оптроны;

6.Волоконно-оптические световоды (оптические волокна и кабели).

Данные лекции содержит информацию об оптических излучателях, включая источники когерентного и некогерентного излучения (лазеры и светодиоды), фотоприемниках оптического излучения различных типов, оптронах.

Тема1. Оптическое излучение. Принципы работы квантовых систем.

1.1.Основные характеристики и параметры оптического излучения

Оптическое излучение характеризуется:

-спектром излучения ;

-монохроматичностью;

-когерентностью (временной и пространственной);

-дифракцией;

-поляризацией.

Ширина спектра – диапазон частот (длин волн ), в котором излучает данный прибор. Для оценки ширины спектра используют понятие монохроматичности излучения. Атомы излучающего вещества излучают электромагнитные колебания волновыми пакетами или цугами. Длина излучения волнового пакета и спектр связаны между собой. Чем длиннее волновой пакет, тем уже спектр и выше степень монохроматичности колебаний.

Чем выше временная когерентность (степень постоянства фазы колебания в разные моменты времени), тем выше степень монохроматичности колебания.

Чем выше пространственная когерентность (степень постоянства фазы колебания в один и тот же момент времени в разных точках пространства), тем меньше расходимость электромагнитного излучения (лучше направленность излучения).

Поляризация – характеристика неравномерности распределения по направлению амплитуд колебаний векторов напряженности электрического ( ) и магнитного ( ) поля электромагнитной волны. Если излучение монохроматическое, векторы Е и Н колеблются с некоторой постоянной частотой и их можно представить в виде суммы двух взаимно перпендикулярных составляющих. Если разность фаз колебаний по направлениям x и у равна нулю, то суммарный вектор колеблется в одной плоскости. Аналогично для разности фаз равной n , где n – целое число. Такой случай называют линейной поляризацией, а плоскость, перпендикулярную направлению колебаний (обычно вектора H) - плоскостью поляризации. Если разность фаз колебаний =n , то конец вектора Е описывает поверхность эллиптического цилиндра (случай эллиптической поляризации). Если разность фаз колебаний или, где -целое число, то получим случай круговой поляризации. Различают правую и левую (по отношению к наблюдателю) круговую поляризацию. На рис.1.1 показано изменение поляризации при изменении от 0 до 2 .

1, 4, 6 – линейная поляризация,

2, 3 – эллиптическая поляризация,

5 – круговая поляризация.

у у

=0

=/4

х х

у у

=3/4

=

х х

у у у

/2

2

х х х

Рис.1.1

Дифракция света возникает во всех случаях, когда изменение амплитуды и фазы электромагнитной волны неодинаковы по всей поверхности волнового фронта. Любое локальное нарушение (амплитудное или фазовое) среды, где распространяется световая волна, является причиной возникновения дифракции. Классифицируя дифракционные явления, можно различить три области образования препятствия или источника света:

• резкое изображение препятствия, соответствующее прямолинейному распространению света,

• дифракционное изображение препятствия – дифракция Френеля,

• дифракционное изображение источника света – дифракция Фраунгофера.

Наибольшую практическую ценность для общей теории оптических систем обработки информации имеет дифракция Фраунгофера, так как в этом случае при дифракции на круглом отверстии (входном зрачке объектива), при соответствующем выборе диаметра входного зрачка, можно получить в фокальной плоскости световое пятно (изображение источника света) с высокой интенсивностью в первом дифракционном максимуме.