книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

в которых происходит управляемое преобразование энергии электри­ ческого тока в световое излучение. Электросветовые радиоэлектрон­ ные приборы производят преобразование электрических сигналов в световые (видимые, инфракрасные или ультрафиолетовые). В светолреобразовательных приборах происходит преобразование частоты или усиление интенсивности световых излучений. Светопреобразовательные приборы позволяют преобразовать инфракрасные, ультра­ фиолетовые и рентгеновские сигналы в сигналы видимого света. Помимо этого, наряду с преобразованием частоты светового сигнала, возможно усиление его интенсивности, что позволяет создавать эффек­ тивные усилители световых изображений.

Электросветовые приборы основаны на явлении люминесценции. Люминесценция возникает при облучении вещества светом, бомбар­ дировке его частицами высоких энергий, механических деформациях или воздействии электрического поля. При этом электроны веще­ ства, поглотившие кванты энергии, переходят на более высокие энер­ гетические уровни, где задерживаются весьма непродолжительное время, после чего возвращаются в нормальное состояние, излучая излишек энергии. Для большинства веществ излучение наблюдается в виде тепла. Однако в некоторых веществах — люминофорах — преимущественно излучаются фотоны света. Люминесценцию при­ нято различать по виду первичного энергетического воздействия на: катодолюминесценцию, электролюминесценцию, фотолюминесцен­ цию, рентгенолюминесценцию, триболюминесценцию и т. д.

Катодолюминесценция — процесс преобразования энергии элек­ тронного луча в энергию видимого света.

Электролюминесценция — излучение света под действием элек­ трического поля. При фотолюминесценции происходит поглощение люминофором фотонов света с одной частотой и излучение фотонов света с другой частотой. Рентгенолюминесценция происходит под

90

действием рентгеновских лучей. Триболюминесценция наблюдается при механических воздействиях на люминофоры.

Излучаемый свет может быть монохроматическим и когерентным (если используются эффекты стимулированного излучения).

§ 34. Катодолюминесцентные приборы

Важнейшими и наиболее широко применяемыми катодолюмииесцентными приборами являются электронно лучевые трубки (ЭЛТ),. позволяющие преобразовать электрические сигналы в двумерные световые изображения. Схема устройства ЭЛТ с электростатическим управлением приведена на рис. 39, а, б. Электронный поток, эмиттированный с поверхности термоэлектронного катода, с помощью элек­ тростатической фокусирующей системы формируются в луч. Под

О-

Рис. 39.

действием ускоряющего поля анода электроны приобретают кинети­ ческую энергию, которую они отдают в момент соударения с экраном атомам люминофора, покрывающего тонкой пленкой всю его поверх­ ность. Вследствие этого в месте падения луча начинается свечение люминофора. В зависимости от состава люминофора свечение может быть практически любым: от красного до фиолетового. Также прак­ тически любым может быть время послесвечения люминофора: от единиц микросекунд до нескольких часов. Все это позволяет полу­ чать одноцветные и многоцветные изображения как быстропротекающих, так и очень медленно изменяющихся электрических сигналов.

Двумерное управление положением луча на экране ЭЛТ осуще­ ствляется с помощью двух пар горизонтальных и вертикальных плоско-параллельных отклоняющих пластин, расположенных вза­ имно перпендикулярно. Подавая на пластины отклоняющее напря­ жение соответствующей полярности, можно перемещать луч по экрану, рисуя на нем практически любые световые изображения.

Кроме управления пространственным положением луча в ЭЛТ имеется возможность управлять током луча, изменяя тем самым яркость свечения экрана. Это осуществляется с помощью обычной управляющей сетки, располагающейся в непосредственной близости от катода. Обычно на горизонтальные отклоняющие пластины подается линейно изменяющееся во времени («пилообразное»)

91

напряжение, что вызывает равномерное движение луча вдоль горизон­

и по горизонтали, при этом отклонение по горизоптали будет зависеть только от времени, а отклонение по вертикали будет пропорцио­ нально изменению величины исследуемого сигнала во времени. Элек­ тронно-лучевые трубки применяются в осциллографах — приборах, позволяющих визуально наблюдать электрические сигналы. ЭЛТ,

тронные изображения на одноцветный или многоцветный экран. Это позволяет наблю­ дать одновременно несколько сигналов или получать цветное телевизионное изобра­ жение.

Когда размеры экрана недостаточны, применяют специальные проекционные ЭЛТ,

сэкрана которых изображение с помощью зеркально-оптических

систем проектируется на экран необходимой величины.

В последние годы разработано множество типов плоских ЭЛТ,

Электроны, эмиттированные с поверхности катода, фокусируются в электронный луч, который отклоняется с помощью магнитной отклоняющей системы. Экран ЭЛТ выполнен в виде мелкоячеистой сетки, покрытой с одной стороны люминофором. Электронный луч проходит через отверстия в сетке и отражается обратно к экрану тормозящим полем, действующим между положительно заряженным экраном и отрицательно заряженным прозрачным проводящим слоем, нанесенным на переднюю стенку колбы ЭЛТ.

Если на пути электронного луча поместить маску, имеющую от­ верстия заданной формы — буквы, цифры, различные символы или условные знаки, — то на экране ЭЛТ можно получить их световое изображение. Расположив на маске все буквы алфавита, цифры и ос­ новные математические символы и отклоняя электронный луч по заданному закону, можно «набрать» на экране печатный текст, кото­ рый затем может быть откорректирован и сфотографирован, после чего легко может быть изготовлена типографская матрица. Подоб-

92

ные знаковые ЭЛТ называются характронами и широко используются в современных системах переработки информации.

Электронно-лучевая трубка имеет «память»: свечение люмино­ фора после прохождения электронного луча прекращается не мгно­ венно, а спустя некоторое время. Длительность послесвечения может достигать нескольких часов.

Имеются специальные электронно-лучевые трубки — скиатроны, изображение на экране которых может существовать практически неограниченное время. Это достигается применением для покрытия экрана щелочно-галлоидных солей (например, хлористого калия), темнеющих под действием электронного луча, в результате чего на экране после прекращения сигнала остается его изображение в виде темных линий на белом фоне. Стирание изображения осуществляется нагреванием или воздействием мощного потока света.

В ряде случаев используются специальные ЭЛТ, позволяющие «помнить» не световое или теневое изображение электрического сиг­ нала, а его электростатическое изображение на диэлектрическом экране, которое может быть снова преобразовано в электрический

запись (от нескольких минут до нескольких суток) и воспроизводить в нужное время. Воспроизведение записи осуществляется лучом, поэтому запись стирается. В последние годы разработаны запомина­ ющие трубки, позволяющие многократно воспроизводить записанные сигналы. Благодаря тому, что запись и воспроизведение в запомина­ ющих трубках может производиться с огромными скоростями, они нашли широкое применение в быстродействующих электронновычислительных машинах, в различных радиолокационных и связ­ ных системах и т. д.

§ 35. Газосветные приборы

При прохождении электрического тока через разреженный газ происходит ударная ионизация: движущиеся к аноду электроны соударяются с молекулами газа и вырывают валентные электроны. Процесс ионизации сопровождается рекомбинацией — ионы через некоторое время объединяются с электронами и образовавшийся нейтральный атом излучает излишек энергии в виде фотона. Если энергия движущегося электрона оказывается недостаточной для иони­ зации, то происходит переход атома в возбужденное состояние. При возвращении атома в нормальное состояние избыток энергии также может быть излучен в виде фотона видимого света. Эффектив­ ное преобразование энергии электрического тока в световую проис­ ходит в режиме тлеющего и особенно дугового разрядов. В зависи­ мости от газового состава свечение может быть практически любым: например, оранжево-красным (неон), желтым (пары натрия), сирене­ вым (аргон или пары ртути), голубым (криптон), синим (гелий). Особенностью тлеющего разряда (и в некоторой степени дугового)

93

является то, что в зависимости от величины тока изменяется площадь эффективного свечения. Это позволяет изменением тока в достаточно больших пределах изменять мощность излучаемого светового потока (может быть осуществлено в обычных плазменных диодах). Возмож­ ность управления моментами включения и выключения разряда по­ зволяет создавать импульсные газосветные излучатели (например, простейшим импульсным излучателем является тиратрон тлеющего разряда).

Газосветные приборы весьма инерционны: время включениявыключения обычно исчисляется десятками микросекунд. Так же инерционно происходит и плавное изменение величины излучаемого светового потока. Поэтому газосветные приборы преимущественно используются как индикаторы: преобразуют относительно медленно изменяющиеся электрические сигналы в световые, визуально воспри­ нимаемые человеком. В частности, в современной цифровой радио­ электронной аппаратуре широко используются индикаторные лампы тлеющего разряда, позволяющие просто и удобно считывать показа­ ния различных измерительных приборов. В цифровой лампе обычно имеется десять катодов, выполненных в виде цифр 0, 1, 2, 3, . . ., 9 и несколько соединенных вместе сетчатых анодов. При подаче напря­ жения между анодом и одним из катодов, например первым, сквозь баллон лампы четко видно свечение катода в виде цифры 1. Разрабо­ таны также буквенные и знаковые индикаторы с катодами в виде букв русского и латинского алфавита, а также специальных символов или условных знаков.

В рассмотренных газосветных приборах излучение происходит спонтанно, поэтому световой поток некогерентен. Однако в определен­ ных условиях газосветные приборы излучают когерентный свет и на этом принципе работают газовые лазеры.

§ 36. Электролюминесцентные приборы Излучение света люминофорами может происходить при действии

94

Электролюминесценция наблюдается в полупроводниковых дио­ дах при протекании через них электрического тока в прямом напра­ влении. При этом электроны переходят из п области в р область и там рекомбинируют с дырками. Рекомбинация означает, что элек­ троны из зоны проводимости переходят в валентную зону, а избыток энергии излучается в виде фотонов. В зависимости от ширины запре­ щенной зоны фотоны имеют частоты в видимой или невидимой части светового спектра. Для получения видимого света ширина запрещен­ ной зоны полупроводника должна лежать в пределах от 1,6 (красный свет) до 3,1 эв (фиолетовый свет). В общем случае возможны не только переходы из зоны проводимости в валентную зону, но и пере­ ходы на уровни примесных атомов, что также позволяет получать свет практически любого цвета.

В настоящее время для изготовления светодиодов наиболее часто применяется арсенид галлия, а также карбид кремния, легированный различными примесями (бором, алюминием).

§ 37. Усилители-преобразователи световых изображений

лители-преобразователи рентгеновских, ультрафиолетовых, видимых

иинфракрасных изображений.

Впростейшем электронно-оптическом преобразователе (рис. 42, а) световой поток, попадая на полупрозрачный фотокатод, вызывает эмиссию фотоэлектронов. При этом с наиболее освещенных участков будет наблюдаться наибольшая эмиссия, с наименее освещенных — наименьшая. Если на фотокатод проектируется световое изображе­ ние, то за ним возникает электронное изображение. Под действием ускоряющего поля электронное изображение движется к люминес­ центному экрану. Те области экрана, на которые попадает большее число электронов, начинают светиться более ярко, чем те, на кото­ рые попадает меньше, — возникает вторичное световое изображение, яркость которого может быть в несколько раз выше яркости первич­ ного изображения (поскольку фотоэлектроны на пути к экрану уско­ ряются его полем и приобретают большую кинетическую энергию, отдаваемую затем атомам люминофора). Для работы при малых освещенностях применяются усилители-преобразователи со вторичноэлектронными умножителями. На рис. 42, б приводится схема, ус­ тройства преобразователя со вторично-электронным умножением. Число динодов может доходить до 10, вследствие чего умножение плотности первичного электронного изображения может быть очень большим.

Явления фотопроводимости и электролюминесценции позволяют создать сравнительно простые полупроводниковые усилители-пре­ образователи световых изображений. На рис. 43 приводится схемати­ ческое устройство усилителя-преобразователя, состоящего из слоя

95

фотополупроводника, на который наносится слои полупроводнико­ вого люминофора, способного светиться под действием приложенного к нему напряжения. На внешние поверхности фотополупроводника и люминофора наносятся тонкие (практически прозрачные) слои металла, к которым подводится высокое напряжение. Если на фото­ полупроводник проектируется световое изображение (видимое или невидимое), то в зависимости от распределения освещенности в изо­

Вместе с этим изменяется и распределение напряжения на поверх­ ности люминофора, в результате чего отдельные его участки начи­ нают светиться ярче, другие слабее и возникает яркое вторичное изображение.

свет некогерентен и состоит из фотонов различных энергий, возника­ ющих в различные моменты времени. Это происходит потому, что излучение возникает вследствие взаимодействия вещества с движу­ щимся достаточно хаотически потоком электронов.

В когерентных приборах происходит стимулированное излучение и энергии всех излучаемых фотонов практически одинаковы. Это до­ стигается управляемым переходом частиц (электронов, атомов, моле­ кул) из возбужденного состояния в нормальное. В общем случае энер­ гия частицы может быть обусловлена ее вращательным или колеба­ тельным движением, связью с другими частицами, ориентацией ее электрического или магнитного поля.

В обычных условиях энергия минимальна и может увеличиваться только под воздействием внешней силы, при этом частица переходит

96

Для перевода частицы на заданный энергетический уровень на нее необходимо воздействовать электромагнитным полем с резонанс­ ной частотой

внешних факторов приводят к тому, что через некоторое время воз­ бужденная частица переходит на новый энергетический уровень, вновь поглощая энергию, или возвращается на основной уровень, излучая энергию. Обратные переходы особенно легко осуществляются под воздействием электромагнитного поля с резонансной частотой. При этом излучаемый квант имеет ту же частоту, что и внешнее поле, а сам процесс излучения называется стимулированным или индуци­ рованным.

При воздействии на вещество электромагнитного поля с резонанс­ ной частотой одновременно протекают два процесса — поглощение

ирезонансное излучение. Поглощение обычно преобладает, однако если заранее перевести частицы в возбужденное состояние, то при воздействии электромагнитного поля с резонансной частотой ча­ стицы будут отдавать свою энергию электромагнитному полю, усили­ вая его. На этом принципе устроены квантовые приборы: получая энергию от дополнительного источника возбуждения, они отдают ее электромагнитному полю.

Внастоящее время наибольшее применение нашли трехуровневые квантовые приборы, в которых ионы, атомы или молекулы активного вещества имеют три характерных энергетических уровня (рис. 44).

На первом возбужденном уровне частицы долго не задерживаются

ипереходят на второй уровень, отдавая излишек энергии в виде

тепла. На втором уровне частицы задерживаются на время до Ю - 4 сек, после чего спонтанно возвращаются на основной уровень

Если на частицы воздействует поле с резонансной частотой, то излучение становится стимулированным: переходы происходят согла­ сованно и строго синхронно с внешним электромагнитным полем.

Для получения когерентного стимулированного излучения в со­ временных квантовых приборах используется: 1) изменение орби­ тального положения валентных электронов, что обусловливает излу­ чение фотонов видимого света; 2) изменение колебательного движе­ ния атомов в молекулах, вызывающее излучение фотонов инфракрас­ ного света; 3) изменение энергии вращения в парамагнитных ионах

и атомах, сопровождаемое излучением квантов сверхвысоких радио­ частот.

Приборы стимулированного излучения принято классифициро­ вать по частотам излучаемых квантов. В частности, приборы, рабо­

Активное вещество, используемое в квантовых приборах, должно иметь такое распределение энергетических уровней, чтобы существо - вали уровни, разность энергий которых позволяла бы получить излучение с заданной резонансной частотой. В настоящее время

Рис. 44. Рис. 45.

имеется около 200 различных веществ, позволяющих генерировать стимулированное излучение на 200 различных частотах.

Используемое вещество должно иметь также вполне определенную концентрацию активных частиц. Если их мало, то и суммарный эф­ фект стимулированного излучения мал. При увеличении числа актив­ ных частиц эффект возрастает, но лишь до некоторого предела, по­ скольку при большой концентрации частицы начинают взаимодей­ ствовать друг с другом. Это приводит к расщеплению энергетических уровней, вследствие чего происходит стимулированное излучение на многих частотах.

В качестве активного вещества в лазерах используются диэлек­ трические и ионные кристаллы (рубин, иттро-алюминиевый гранат); ниодимовые стекла, полупроводники (арсенид галлия, фосфид индия, фосфид галлия, карбид кремния): инертные газы (неон, криптон, ксенон); жидкости (нитробензол), металло-органические соединения (европий-бензойл-ацетонат) и т. д.

Лазер — усилитель световых сигналов может быть выполнен на

98

фотона, строго синхронного с ним. Распространяясь в глубь кри­ сталла, фотоны снова встречаются с возбужденными частицами и вызывают излучение новых фотонов. Усиление тем больше, чем больший путь проходит усиливаемый сигнал и чем больше возбу­ жденных частиц имеется в кристалле.

Лазер-генератор на основе кристалла рубина устроен так же, как и лазер-усилитель, но слева и справа от кристалла перпендику­ лярно его оси установлены зеркала. При отсутствии внешнего поля излучение фотонов происходит случайно. Если число активных час­ тиц велико, то возникает хотя бы один фотон, направление которого строго совпадает с осью кристалла. При распространении фотон сти­ мулирует появление новых фотонов, строго синхронных ему и дей­ ствующих в том же направлении. Дойдя до зеркала, фотоны отра­ жаются обратно в кристалл, порождая лавину новых, которые снова отражаются от зеркал. Увеличение потока происходит до тех пор, пока не будет исчерпан запас возбужденных частиц (при импульсном возбуждении) или число вновь возбуждаемых частиц будет равно числу возвращающихся в нормальное состояние. Излучение лазера выводится во внешнее пространство через одно из зеркал, прозрач­ ность которого может регулироваться.

В полупроводниковых лазерах возбуждение активных частиц осуществляется за счет энергии электрического тока, проходящего через п-—р переход, включенный в прямом направлении. Излучение света происходит при рекомбинации электронов с дырками вблизи п—р перехода. В качестве зеркала используются полированные боковые грани кристалла. Возбуждение светового потока происхо­ дит обычным образом: среди множества излучаемых фотонов имеется хотя бы один, направленный строго параллельно плоскости п—р перехода. Этот фотон стимулирует излучение себе подобных, которые, в свою очередь, многократно отразившись от полированной грани, образуют мощный световой поток.

Полупроводниковые лазеры-генераторы являются эффективными преобразователями электрической энергии в световую, их к. п. д. может доходить до 95% .

Наиболее просто выполняются газовые лазеры (в виде трубки с несколькими электродами и зеркалами, расположенными в торцах). Возбуждение в газовом лазере достигается за счет тлеющего или дугового разряда между вспомогательными электродами. Недостат­ ком газовых лазеров является низкий к. п. д. (несколько процентов).

Управление излучаемым световым потоком осуществляется за счет изменения энергии питания лазера, что особенно просто осу­ ществить в полупроводниковых и газовых лазерах или с помощью внешних управляющих устройств: управляемых светопоглотителей, поляризаторов излучения, а также дефлекторов, изменяющих про­ странственное положение светового луча.