2072

токатодом. На внешнем фотоэффекте основано действие электровакуумных фотоэлектронных приборов – фотоэлементов и фотоумножителей.

Внутренний фотоэффект может быть двух видов. Фоторезистивный эффект – это уменьшение электрического сопротивления полупроводника под действием падающего на него света. Фотогальванический эффект

– это возникновение на р–n-переходе под действием падающего света электродвижущей силы – фотоЭДС. Внутренний фотоэффект используют в полупроводниковых фотоэлектронных приборах.

Фотоэффект обусловлен изменением энергетического состояния свободных электронов в металле или атомов в кристалле полупроводника при поглощении световой энергии.

Энергия светового излучения выделяется и поглощается квантами (фотонами), а распространяется волнами, как электромагнитные колебания. Валентный электрон может поглощать только один фотон, при этом энергия его увеличивается скачком.

Для выхода с поверхности фотокатода электрон должен получить энергию, не меньшую чем работа выхода для данного вещества W0 e 0 (см.

п. 10.2).

Согласно квантовой теории, энергия фотона

Wкв h hc,

где h 6,62 10 34 Дж·с – постоянная Планка; c – частота светового

излучения, λ – длина волны; c 3 108 м/с – скорость света.

Чем больше частота или меньше длина световой волны λ, тем больше энергия фотона. Например, видимый глазом свет (от фиолетового до красного) имеет длину волны в диапазоне 0,38 – 0,76 мкм. Тогда энергия фотонов фиолетового и красного света будет соответственно равна 3,25 и 1,62 эВ.

Таким образом, фотоэлектронная эмиссия возникает при Wкв Wc . Максимальную длину световой волны max hc e 0 , при которой наступает фотоэмиссия, называют порогом фотоэлектронной эмиссии. Видимая глазом часть спектра световых волн обладает достаточной энергией фотонов, чтобы вызвать фотоэмиссию из таких веществ, как, например, цезий или его соединения.

Законы фотоэлектронной эмиссии и характеристики фотокатода

Простейшим электровакуумным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент, содержащий два электрода: катод и анод, размещенные в стеклянной колбе, из которой выкачан воздух. Катод имеет вид вогнутого

141

длине волны, большей порога фотоэмиссии max, энергии фотонов недостаточно для выбивания электронов с фотокатода. Поэтому фототок и спектральная чувствительность фотокатода равны нулю.

11.6. Фотоумножитель: устройство, принцип действия

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), или просто фотоумножитель, имеет более высокую световую чувствительность за счет усложнения конструкции. ФЭУ содержит анод, фотокатод и электроды вторичной эмиссии, называемые динодами. Количество динодов может быть от одного до двадцати. ФЭУ с одним динодом называют однокаскадным, а с несколькими – многокаскадным. Устройство многокаскадного ФЭУ показано на рис. 11.12.

Ф

Диноды

Рис. 11.12. Устройство четырехкаскадного фотоумножителя

143

Между катодом и первым динодом подают напряжение 110–150 В. Каждый последующий динод имеет потенциал, на 100–150 В больший, чем предыдущий. Под действием света фотокатод испускает электроны, которые ускоряются полем динода Д1 и выбивают вторичные электроны с его поверхности. Эти электроны снова ускоряются полем динода Д2 и вновь выбивают вторичные электроны, поток которых движется к диноду Д3, и т.д. Число вторичных электронов превышает число первичных. Поэтому ток анода Ia значительно больше тока фотокатода Iф.

Коэффициент усиления тока фотокатода K Gn , где G – коэффициент вторичной эмиссии, n – количество динодов (G >1). Поэтому ФЭУ имеют более высокую чувствительность, чем фотоэлементы.

Недостатком ФЭУ являются высокое напряжение питания и большой собственный шум. Даже при отсутствии светового потока на выходе ФЭУ появляется так называемый темновой ток. Он вызван тем, что отдельные электроны, при комнатной температуре покидающие фотокатод, выбивают из динодов вторичные электроны и в результате создается довольно большой анодный ток, зависящий от температуры.

На практике широкое распространение получили однокаскадные фотоумножители (ФЭУ1). Их применяют в автоматике и для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинолент.

Устройство, условное графическое и позиционное обозначение, схема включения ФЭУ1 показаны на рис. 11.13.

Рис. 11.13. Однокаскадный фотоумножитель ФЭУ1: а – устройство; б – условное графическое и позиционное обозначения; в – схема включения

Фотокатод выполнен в виде тонкого светочувствительного слоя, нанесенного на половину внутренней поверхности стеклянного баллона. На противоположной стороне баллона нанесен такой же по материалу, но не-

144

большой по площади слой, являющийся динодом. Катод и динод – сурьмя- но-цезиевые. Внутри баллона ближе к диноду расположен анод, выполненный в виде редкой металлической сетки.

Принцип действия ФЭУ1 состоит в следующем. Световой поток падает на катод и вызывает фотоэмиссию. Под действием ускоряющего поля анода и динода (Uд <Ua) первичные электроны ускоренно движутся к аноду. Незначительная часть их попадает на анод, а основной поток проходит через сетку анода на динод, вызывая вторичную эмиссию с его поверхности. Эти вторичные электроны под действием ускоряющего поля анода движутся к аноду, так как напряжение на диноде Uд меньше, чем на аноде Ua. Вторичных электронов больше, чем первичных, в 4 – 6 раз, т.е. коэффициент вторичной эмиссии ФЭУ1 G Ia Iф (4 – 6).

Характеристики ФЭУ1

1. Вольт-амперная характеристика (рис. 11.14):

Ia f Uад при Uд =const, Ф =const.

При Uад 0 ток анода практически равен нулю из-за действия тормо-

зящего электрического между анодом и динодом. При Uад 0 это поле становится ускоряющим для вторичных электронов. Когда Uад>(35 – 40 В), рост анодного тока с ростом Uад практически прекращается из-за насыщения, так как практически все вторичные электроны попадают на анод. В режиме насыщения ток Ia возрастает с увеличением светового потока Ф.

лабления ускоряющего поля, действующего на вторичные электроны. Практически чувствительность ФЭУ1 к световому потоку S Ia Ф максимальна при Uд ≈160 В. Световая чувствительность фотокатода Sф Iф Ф, тогда коэффициент усиления ФЭУ K SmaxSф Iamax Iф определяется коэффициентом вторичной эмиссии G 4 6.

145

3. Световая характеристика

Ia f Ф при Uд =const; Ua=const

представляет собой линейную зависимость в соответствии с законом Столетова.

4.Спектральная характеристика S f для сурьмяно-цезиевого фотокатода почти постоянна в видимом глазом спектре световых волн.

5.Частотная характеристика – зависимость световой чувствительности от частоты изменения светового потока. Для сурьмяно-цезиевого катода S не изменяется в полосе частот от нуля до нескольких десятков килогерц.

12.КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

12.1. Физические основы лазерного излучения

Согласно планетарной модели атома, при вращении на стационарных орбитах электроны не излучают электромагнитных волн в окружающее пространство. Излучение происходит только при переходе электрона с удаленной орбиты, соответствующей возбужденному состоянию атома, на более низкий уровень, являющийся основным. При этом электрон излучает электромагнитные колебания в виде фотона с энергией

W h ,

где h=6,63 10 34 Дж·с – постоянная Планка; – частота излучения.

А. Эйнштейн показал, что момент излучения кванта света и направление излучения имеют случайный характер. Такое самопроизвольное излу-

146

чение принято называть спонтанным. Оно является следствием возбуждения атома. Возбуждение происходит под действием температуры, электрического поля, при ударе электрона или при поглощении кванта света. В обычных источниках света, например при нагревании тел до высоких температур, излучение происходит спонтанно в различные моменты времени, с различной энергией, т.е. беспорядочно.

Однако существует и другой вид излучения, открытый А. Эйнштейном и называемый вынужденным, или индуцированным (стимулированным). Он заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызывать переход атома в невозбужденное состояние, при этом атом испускает квант света, который по количеству энергии и направлению излучения одинаков с квантом, вызвавшим этот процесс. В результате происходит усиление светового потока.

12.2. Принцип работы лазера

Для эффективного использования света в различных технологиях, технике, науке необходимо получать синхронное и синфазное излучение света отдельными атомами. Впервые идею получения такого излучения, называемого когерентным, высказал советский ученый В.А. Фабрикант. Упрощенную схему получения когерентного излучения можно представить следующим образом. Пусть имеется цепочка атомов, вытянутых в линию. Атомы находятся в возбужденном состоянии. Внешний фотон взаимодействует с первым атомом, приводит его в невозбужденное состояние, вызывая излучение по направлению цепочки атомов такого же кванта света. Таким образом, вдоль цепочки уже будут двигаться два фотона. Один из них «ударит» следующий атом, который даст излучение еще одного фотона. Аналогично процесс создания фотонов будет происходить и дальше. В результате световой поток усиливается в цепочке в огромное число раз. Теоретически коэффициент усиления может достигать гигантского значения

– 1020 . Важно, что это будет поток квантов света одинакового направления

иэнергии.

Вреальных условиях в веществе кроме возбужденных атомов имеются невозбужденные, которые поглощают часть энергии фотонов и тем самым уменьшают энергию выходного когерентного излучения. Если число невозбужденных и число возбужденных атомов равны между собой, то никакого усиления света не получится. Следовательно, для усиления света необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа невозбужденных. Поэтому во время когерентного излучения необходимо к данному веществу подводить энергию извне для возбуждения атомов. Такой процесс называют накачкой.

Прибор, где используют принцип усиления света, рассмотренный выше, получил название лазер, означающее усиление света с помощью вы-

147

нужденного излучения. Такой квантовый усилитель можно превратить в генератор, если создать в нем положительную обратную связь, при которой часть излучения с выхода возвращается снова на вход и вновь усиливается.

Идею создания лазерных генераторов предложили Н.Т. Басов и А.М. Прохоров (СССР) и независимо от них американский ученый Ч. Таунс, удостоенные Нобелевской премии.

Принцип работы лазера, называемого иначе оптическим квантовым генератором (ОКГ), можно пояснить следующим образом (рис. 12.1).

рого в виде когерентного светового излучения 4 выходит в окружающее пространство.

12.3. Свойства лазерного излучения

Излучение лазера представляет почти параллельный поток фотона одной и той же частоты. Такое излучение имеет ряд важных особенностей.

Первая особенность – весьма малая расходимость луча лазерного излучения. Угол расходимости равен 0,003 или 5 10 5 рад. Такой световой луч можно сфокусировать в точку радиусом около 0,5 мкм (для видимого света), при этом угол расходимости уменьшается до 10 7 рад. Если этот луч послать на Луну, то он высветит пятно диаметром 30 м.

Вторая особенность лазерного излучения – высокая монохроматичность, т.е. излучение имеет строго фиксированную длину волны. На практике при лазерном излучении наблюдается незначительная флуктуация частоты за счет спонтанного некогерентного излучения очень небольшого

148

числа атомов. Ширина полосы частот лазерного излучения очень мала и составляет примерно 10 3 Гц.

Третья особенность состоит в том, что можно в очень широких пределах управлять длительностью процесса излучения, формируя сверхкороткие мощные импульсы света. Например, если длительность импульса равна 10 13 с, а энергия 103 Дж, то мощность излучения – 1016 Вт, что во много раз больше, чем у любой крупнейшей электростанции, интенсивность потока энергии в сфокусированном лазерном луче достигает 1020 Вт/см2 , при этом напряженность электрического поля составляет 1011 В/см. Под воздействием такого сильного поля у многих веществ происходит ионизация.

12.4.Основные типы лазеров

Внастоящее время существует множество лазеров различных типов. Они различаются активной средой и способом накачки. В качестве активной среды используются твердые, жидкие, газообразные вещества. Накачку осуществляют оптическим способом либо с помощью электрического разряда в активной среде.

Твердотельные лазеры

Активная среда – диэлектрический кристалл или специальное стекло. Примером может служить лазер на рубине (оксид алюминия с примесью ионов хрома). Источник накачки – вспомогательный лазер либо другие источники света (газоразрядные лампы, лампы накаливания).

Жидкостные лазеры

Активная среда – чаще всего растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Для лазерной генерации используются сотни различных органических красителей с длиной волны излучения от 0,3 до 1,3 мкм. Накачка жидкостных лазеров (импульсная или непрерывная) осуществляется с помощью газоразрядных ламп или вспомогательного лазера.

Газовые лазеры

Одной из многочисленных разновидностей газовых лазеров является фотодиссоционный лазер. Под влиянием накачки молекулы газа распадаются на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для получения лазерного излучения.

149