Тема 2.2 Оптоэлектроника Оптоэлектроника и ее основные эффекты.
Оптоэлектроника - это научно-техническое направление, связанное с изучением и применением эффектов взаимодействия оптического излучения (света) с веществом (обычно с твердым телом).
Её преимущества заключаются в огромной информационной ёмкости оптических каналов связи, связанной с высокой частотой электромагнитных колебаний (~1015 Гц) света; другим превосходством служит высокая энергетическая плотность оптического излучения внутри световода, что позволяет минимизировать поперечные размеры оптического волокна.
Оптоэлектронный прибор - это элемент или узел, применяемый в оптоэлектронике для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и наоборот.
Оптоэлектронные приборы делятся на источники оптического излучения и приемники оптического излучения (фотоприемники). Кроме них к оптоэлектронным приборам относят оптические волноводы, оптическую память, функциональные приборы (преобразователи некогерентного излучения в когерентное, оптроны, оптические вентили и др.), оптические и оптоэлектронные интегральные схемы, модуляторы света и отклоняющие системы, а также разного рода дисплеи.
Основные эффекты оптоэлектроники:
-
фотопроводимость
или внутренний фотоэффект -
это увеличение электропроводности
полупроводника или изолятора под действием
света. Основной прибор, работающий на
изменении фотопроводимости - фоторезистор,
быстродействие которого ниже, чем у
других оптоэлектронных приборов и
зависит от области спектра;
-фотогальванический эффект - если светом облучать электрод вакуумной лампы, то возникнет эмиссия электронов. Это явление называется фотоэффектом. Если же осветить поверхность перехода в полупроводнике, то появится ЭДС. Это явление называется фотогальваническим эффектом и связано с тем, что в полупроводнике при поглощении фотонов образуются пары электрон-дырка, которые преодолевают потенциальный барьер в месте перехода. В результате возникает ЭДС.;
-нелинейные оптические эффекты - это нелинейные отклики на мощное оптическое излучение. К ним относятся эффект Рамана и эффект Бриллюэна.
Эффектом Рамана называют рассеяние монохроматического излучения (излучения одной длины волны) в веществе, при котором в спектре рассеянного света появляются новые, характерные для данного вещества линии, отличающиеся от спектральной линии источника.
Эффект Бриллюэна - это рассеяние, возникающее в результате взаимодействия акустического фонона с оптическим излучением со смещением линий на частоту фонона. Вынужденный эффект Бриллюэна возникает под действием сильно интенсивных световых пучков возбуждающего света.
-магнитооптический эффект - это изменение оптических свойств (отражение, пропускание, поляризация и др.) вещества в зависимости от его намагниченности или от приложенного к нему магнитного поля. Наиболее известные из магнитооптических эффектов - эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации света в среде, которая находится в магнитном поле) ;
-электрооптический эффект - эффект Поккельса (изменение коэффициента преломления пропорционально приложенному электрическому полю - нелинейное явление второго порядка) и эффект Керра (изменение коэффициента преломления, пропорциональное квадрату приложенного электрического поля – нелинейное явление третьего порядка);
-акустооптический эффект - это явления преломления, дифракции, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Акустооптические эффекты бывают двух видов: при низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана - Ната. А если частота ультразвука высокая и ширина фронта велика, возникает дифракция Брэгга;
-вынужденное излучение света - излучение света может происходить двумя способами.
При первом способе электроны в атоме, находящиеся на энергетическом уровне Е2, без постороннего вмешательства переходят на более низкий энергетический уровень Е1, испустив при этом квант света (так называемое споонтанное излучение).
При втором способе электроны, находящиеся на уровне Е2 подвергаются воздействию света с определенной длиной волны, при этом атом испускает свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию. Это и есть вынужденное или индуцированное излучение;
-люминесценция - это явление, при котором вещество, поглощая энергию света или какого-либо другого излучения (либо под воздействием различных химических реакций) переходит в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в исходное состояние, излучает полученную энергию в виде света.
Кратковременное люминесцентное излучение, прекращающееся почти сразу с окончанием возбуждения, называется флюорисценцией, а длительное, продолжающееся и после окончания возбуждения, - фосфоресценция. В зависимости от способа возбуждения люминесценция делится на несколько видов:
1. фотолюминесценция - свечение вещества при облучении светом; 2. катодная люминесценция - свечение вещества при облучении пучком электронов;
3. электролюминесценция - свечение вещества под действием электрического поля;
4. хемолюминесценция - свечение, вызванное химическим реакциями, проходящими в веществах;
5. антистоксовая люминесценция - свечение, энергия (частота) которого выше энергии (частоты) возбуждающего излучения, и стоксовая люминесценция - при которой энергия свечения ниже частоты возбуждающего излучения.
