Квантовая и оптическая электроника.-2

=2,82 ×10−2 рад = 1037/.

6.Определяем угловую расходимость g:

7. Находим диаметр сфокусированного пятна:

Dn = gF = 0,755×10−4 ×0,706 = 0,534 ×10−4 м = 53,4 мкм. 8. Определяем разрешающую способность:

9. Находим линейный диапазон перемещения пятна в фокальной плоскости l:

l = Dn N = 53,4 ×10−6 ×117 = 62,3×10−4 м = 6,23 мм.

4.6.2. Электрооптический дефлектор предназначен для сканирования коллимированного светового пучка с апертурой Dвх =1см. Ширина дефлектора в=2см. Длина волны управляемого излучения l=0,63мкм. Световой пучок имеет круглое сечение, для которого x=1,2. Показатель преломления материала дефлектора n=1,5, максимальное изменение показателя преломления Dn=2×10–4 . Определить максимальную длину пути луча в дефлекторе Lmax, максимальный угол отклонения светового луча DLmax и разрешающую способность дефлектора N.

Решение. 1. Находим коэффициент, характеризующий приращение угла отклонения на единицу длины пути луча в актив-

2. Определяемый максимальный угол отклонения луча:

172

Damax = 2[KL (в - Dввы)]1/ 2 = 2 × 2.67 ×10−2 (2 ×10−2 -10−2 )1/ 2 = = 3,26 ×10−2 рад = 1052/.

3. Находим максимальную длину пути луча в дефлекторе:

4. Определяем разрешающую способность:

4.6.3. Рассчитать брэгговский дефлектор, работающий в сканирующем устройстве, в которое входит также источник оптического излучения и формирующая оптика. Исходные параметры для расчета: N =100 эл., fc =1кГц, Dп =10 мкм, Dокг =2 мм, lокг =1/ , l =0,63 мкм.

Выбрать активную среду дефлектора и оптическую схему сканирующего устройства. Определить геометрические размеры активной среды дефлектора: высоту h , длину L, ширину b, требуемое быстродействие tд , среднюю акустическую частоту fак0 и диапазон изменения акустической частоты Df ; углы падения и отражения оптического луча j и q–1 ; требуемую расходимость акустического пучка gак; максимальный угол сканирова-

фокусным расстоянием фокусирующей оптики =100 мм. Определяем требования к брэгговскому дефлектору. Нахо-

дим требуемую угловую расходимость светового пучка:

173

1

Рис. 4.21 − Сканирующее устройство с брэгговским дефлектором: 1 − ОКГ; 2 − оптическая телескорическая система; 3 − цилиндрические линзы; 4 − брэгговский дефлектор

Вычисляем входную апертуру фокусирующей оптики:

Dвх = lокг = 0,63× ×10−6 = 0,63×10−3 м = 6,3 мм. g1 1 10−4

Выбираем высоту h взаимодействия звуковых и световых волн при условии b>Dвх: h=7 мм.

Определяем требуемое быстродействие дефлектора:

Выбираем среду по двум параметрам: наибольшему значению коэффициента акустооптической эффективности М2 и скорости звука среды Jак>Jак треб. В качестве активной среды выби-

Для брэгговского дефлектора, в котором используется естественная расходимость акустического пучка, дальнейший расчет производим в следующей последовательности.

174

Определяем требуемую расходимость акустического пучка:

Задаемся средней акустической частотой fак0 =40 МГц. Находим длиной волны ультразвука на частоте fак0:

Определяем угол падения оптического луча и угол Брэгга:

jБ = q−1 = 47/.

Вычисляем требуемую длину пути оптического луча в ультразвуковом поле:

Проверяем соблюдение брэгговского условия L>>L20/l:

т.е.4,64 мм >> 0,855 мм.

Находим требуемый диапазон изменения акустической час-

Предъявляем требования к формирующей оптике. Формирующая оптика состоит из телескопической системы,

имеющей такое увеличение Г, которое позволяет расширить световой пучок, идущий от ОКГ, до размеров апертуры Dвх брэгговского дефлектора. Находим требуемое увеличение:

175

Перед входом в дефлектор и в дефлекторе световому пучку придается форма клина с помощью цилиндрических линз. Это необходимо для уменьшения общего потока звуковой энергии, который пропорционален отношению b/L. Полагая b/L = (1/8) ¸ (1/10), выбираем ширину акустического пучка b

b= 1 L = 1 × 4,64 ×10−3 = 0,58 ×10−3 м. 8 8

Параметры h, L, b определяют геометрические размеры объема взаимодействия акустических и световых волн дефлектора.

Проводим энергетический расчет требуемого потока звуковой энергии в активной среде.

Определяем требуемый поток звуковой энергии в объеме взаимодействия акустических и световых волн, необходимый для отклонения всего падающего потока световой энергии. Полное отклонение всего потока световой энергии будет при DФ = p. Требуемый поток звуковой энергии при этом равен

Потери за счет ослабления потока звуковой энергии в йодистом пропиле определяются удельным коэффициентом звукопоглощения aак0 и рабочей частотой fак0. Находим коэффициент звукопоглощения йодистого пропила:

aак = aак0fак2 0 = 53,5 ×10−15 (40 ×106 )2 = 85,5 м−1

или

aак ×8,686 = 85,5 ×8,686 = 742 дБ/ м.

Определяем акустические потери в средней точке апертуры светового пучка:

Вычисляем требуемый поток звуковой энергии от преобразователя из соотношения:

176

lg Pактр = 0,234 дБ,

Ракπ

откуда Рактр = 1,71Ракπ = 1,71×0,0249 = 0,0425 Вт = 42,5мВт.

177

5 ФОТОПРИЕМНИКИ

Принципиальная особенность оптоэлектронных приборов состоит в использовании оптического излучения. Оптическое из-

лучение – это электромагнитные волны с длиной волны от 10 нм до 1 мм–1 .

Оптическое излучение характеризуется фотометрическими параметрами. Различают фотометрические параметры: энергетические и световые. Энергетические параметры характеризуют излучение безотносительно к его действию на какой-либо приемник излучения и связаны с переносимой излучением энергией.

5.1 Параметры и характеристики фотоприемников

Рассмотрим основные параметры и характеристики фотоприемных устройств:

Чувствительность ФП – определяется тем, насколько сильно изменяются его характеристики при облучении светом.

а) токовая чувствительность

ляет, сколько неравновесных носителей (пар) создано каждым поглощенным фотоном.

Определение G(скорость генерации пар носителей). Пусть на единичную поверхность приемника по направлению х этой поверхности, падает поток Ф1(х) (плотность потока излучения). Зная, что − dФ1(x) = αФ1(х)dx , получим, что поглощаемая энергия в расчете на 1 см3 составляет:

178

Число Q1 фотонов, поглощенных за 1 с в 1 см3 на глубине х

этому при Ф1 – const скорость генерации G уменьшается обратно пропорционально частоте, чем больше ν, тем меньше G.

В лавинных ФД, фоторезисторах, фототранзисторах Iф = f [G(x)·Кус(E)], Кус(E) – коэффициент усиления, зависящий от Е.

ФП инерционны. Инерционность имеет различное происхождение – характеризуется постоянной времени нарастания (τ2) и

Пороговая чувствительность. Принято пороговую чувстви-

тельность определять уровнем светового потока Фп, когда сигнал

никающая под действием единицы светового потока (1лм или Вт) падающего излучения (мкА/лм или mА/Вт). Спектральная чувствительность определяется выражением

S=I/P; S/Q=l/hn.

179

Фотодиодные матрицы. При разработке видеодатчиков широко используются различные твердотельные преобразователи. Многоэлементные фотоприемники – один из таких преобразователей. Принцип восприятия изображения фотоприемниками сводится к следующему: распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия преобразуется в электрическую, отклик каждого элемента пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. В конечном счете на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодировано воспринимаемое изображение.

Самым простым из фотоприемников является фотодиодная матрица МФ-14. Она предназначена для преобразования оптических сигналов в электрические и для коммутации электрических сигналов. Фотоматрица представляет собой двухмерную решетку {Аi,j} фотоячеек Ai,j ,объединенных системой вертикальных и горизонтальных шин, а также общих проводящих шин. Каждая горизонтальная и вертикальная шина имеет вывод. Всего у матрицы 32 вывода горизонтальных шин, 32 вывода вертикальных шин и пять выводов общих шин.

Фотоячейки матрицы представляют собой мнгофункциональные оптоэлектронные элементы, производящие преобразование оптических сигналов в электрические.

Принцип работы ячейки фотоматрицы заключается в следующем: фотодиод Д и транзистор Т0 образуют базовый многофункциональный элемент – фотодиодную – МДП – транзисторную структуру. Затвор и сток МДП-транзистора Т3 соединены с анодом фотодиода, а сток − с общей шиной С3. Стоки МДПтранзисторов Т0 и Т2 соединены с шинами С1 и С2. В зависимости от способа подачи напряжения обратного смещения на фотодиод, режим работы МДП-транзисторов и фотодиода может быть динамическим или статическим.

180

Обобщенная структурная схема фотоматрицы МФ-14

y1

C0

yN

Ck

Рис. 5.1 − Принципиальная схема фотоячейки матрицы МФ-14

Рис. 5.2