Билет №1

1. Физические и технологические основы оптоэлектроники.

Оптоэлектроника это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и е вещества (преимущественно тв.тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов, в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации.

Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные колебания с длиной волны от 1мм до 1нм. Оптоэлектроникой используется диапазон волн 0,2...50 мкм. По шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещенной зоны 0,02...5 ЭВ, т.е. кванты такого излучения пригодны для ионизации валентных (внешних) е атомов полупроводников (собственных и примесных). Известно, что энергия ионизации допорных и акцепторных примесей в Ge и Si – 0,01 ЭВ.

Использование более жесткого (более коротковолнового) излучения приводит к возбуждению е внутренних оболочек атомов, т.е. к принципиально иному механизму взаимодействия с веществом.

Видимая часть спектра оптического диапазона излучения находится в диапазоне 0,38...0,78 мкм.

Известно, что опт. диапазону излучения присущ дуализм: в одной границе явлений проявляются волновые свойства, в другой – корпускулярные или квантовые. Связь параметров световой волны (длина λ, частота ν) с энергией кванта (фотона) определяется соотношением:

, где λ(мкм), Еср(ЭВ), ν(Гц).

Оптические явления базируются на системе уравнений Максвелла и включает в себя явление интерференции, дифракции и поляризации; использование законов геометрической оптики; рассм-ие электро- и магнитооптических эффектов.

Квантовая природа оптического излучения наиболее отчетливо проявляется в тепловой генерации, различных видах люминесценции, в фотоэффектах, процессах взаимодействия излучения с вещ. процессах нелинейной оптики.

Известен закон смещения Вина, устанавливаемый зависимость λ максимального спектра излучения нагретого тела от его температуры

λмакс=3896/T

Для краев диапазона имеем: λ=0,2 мкм, Т=14450 К, и для λ=50 мкм, Т=60 К. Эти точки характеризуют температуру абсолютно черного тела в оптическом диапазоне 0,2...50 мкм.

В середине видимой части спектра 0,55 мкм (5600К). Максимум излучения человеческого тела и предметов при комнатной температуре приходится на λ=9,3 мкм (инфракрасный диапазон).

Теоретической основой анализа электромагнитных явлений составляют уравнения Максвелла

;  ;

; 

Скорость распространения волны определяется свойствами среды и равна

, где  - коэффициент преломления среды.

Для чистого вакуума ε=μ=n=1.

Поперечные волны обладают изначальным по самой природе присущим им свойством поляризации, т.е. не эквивалентностью различных напряжений в плоскости, перпендикулярной распространению луча. Для количественной оценки вводится понятие степени поляризации

In, Ie – интенсивности поляризованных и естественных компонентов света.

2. Квантовые усилители оптического диапазона.

Квантовый усилитель, устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов. Эффект усиления в Квантовый усилитель связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов, движение которых описывается квантовой механикой. Поэтому, в отличие, например, от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов, движение которых хорошо описывается классической механикой, эти усилители получили название квантовых (см. Квантовая электроника).

Т. к. кроме вынужденных квантовых переходов возбуждённых атомов в состояние с меньшей энергией возможны их самопроизвольные (спонтанные) переходы, в результате которых излучаются волны, имеющие случайные амплитуду, фазу и поляризацию, то они добавляются к усиливаемой волне в виде шумов. Спонтанное излучение является единственным, принципиально неустранимым источником шумов Квантовый усилитель Мощность спонтанного излучения очень мала в радиодиапазоне и резко растет при переходе к оптическому диапазону. В связи с этим Квантовый усилитель радиодиапазона (мазеры) отличаются исключительно низким уровнем собственных шумов [в них отсутствуют шумы, связанные с неравномерностью электронного потока, неизбежные в радиолампах (см. Дробовой шум); кроме того, Квантовый усилитель радиодиапазона работают при температурах, близких к абсолютному нулю, и шумы, связанные с тепловым движением электронов в цепях усилителя, очень малы]. Благодаря чрезвычайно низкому уровню шумов чувствительность Квантовый усилитель, т. е. способность усиливать очень слабые сигналы, велика. Квантовый усилитель применяются в качестве входных ступеней в самых высокочувствительных радиоприёмных устройствах в диапазоне длин волн от 4 мм до 50 см. Квантовый усилитель радиодиапазона значительно увеличили дальность действия космических линий связи с межпланетными станциями, планетныхрадиолокаторов и радиотелескопов.

В оптическом диапазоне Квантовый усилитель широко используются как усилители мощности лазерного излучения. Квантовый усилитель света имеют много общего по принципу действия и конструкции с квантовыми генераторами света (см. Лазер).

Вынужденный переход атома из состояния с энергией E₂ в состояние с меньшей энергией E₁ сопровождающийся испусканием кванта электромагнитной энергии E₂ E₁ = h (— частота вынуждающей и испускаемой волн, h — Планка постоянная), приводит к усилению колебаний. Усиление, создаваемое одним атомом, очень мало. Но если колебание частоты  распространяется в веществе, содержащем большое число одинаковых возбуждённых атомов, находящихся на уровне E₂, то усиление может стать достаточно большим. Атомы же, находящиеся на нижнем уровне E₁, в результате вынужденного поглощения, наоборот, ослабляют волну. В результате вещество будет ослаблять или усиливать волну в зависимости от того, каких атомов в ней больше, невозбуждённых или возбуждённых, или, как говорят, какой из уровней энергии более населён атомами.

  Если вещество находится в состоянии равновесия термодинамического, то распределение частиц по уровням энергии определяется его температурой, причём уровень с меньшей энергией более населён, чем уровень с большей энергией (рис. 1; см. также Больцмана статистика). Такое вещество всегда поглощает электромагнитные волны. Вещество начинает усиливать — становится активным, лишь тогда, когда равновесие нарушается и возбуждённых атомов становится больше, чем невозбуждённых (инверсия населённостей). Чем больше число атомов на верхнем уровне превышает число атомов, находящихся на нижнем уровне, т. е. чем больше инверсная разность населённости N_и= N₂ — N₁, тем эффективней усиление.