Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Устройства для генерации оптического излучения.

Для генерации оптического излучения используется 2 метода:

-тепловое излучение нагретых до высоких температур тел

-использование одного из видов люминисценции. Лиминисценция- нетепловое электромагнитное излучение, которое сохраняется некоторое время после окончания возбуждения атомов.

Недостатки теплового излучения:

-используется ограничено

-широкий спектр излучения

-отсутствие направленности излучения

-низкий КПД

-несовместимость с интегральной технологией

-высокая инерционность.

Достоинства люминисцентного излучения:

-низкий спектр излучения

-большое количество способов возбуждения атомов.

Наибольшее применение нашли следующие типы люминисценции:

-электролюминисценция

-фотолюминисценция

-катодолюминисценция

Активным веществом является углекислый газ, аргон, гелий. При возбуждении атома используется разряд в газе. Длина газоразрядной трубки составляет десятки сантиметров, бывает достигает величины более 1 м. Это позволяет добиться расходимости луча в несколько угловых минут.

Достоинства:

-самые узконаправленные лазеры

-высокая когерентность

-самая высокая мощность излучения

Недостатки:

-крупные габариты

-низкий КПД.

-необходимость высоковольтного питания

Применяться в крупногабаритном оборудовании.

19. Полупроводниковые лазеры.

В них используются кристаллы полупроводниковых материалов. Полупроводниковый лазер поход на излучающий диод и при небольших токах работает как светодиод. Две противоположные грани кристалла делаются зеркально отражающими, и при увеличении прямого тока до определенного порогового значения появляется когерентное лазерное излучение, за счет превышения числа возбужденных атомов.

Используются кристаллы размером 0,5 мм и менее, это влечет за собой большую расходимость луча(до 50 угловых единиц)(НЕДОСТАТОК).

Характеристики таких лазеров:

-Uпит 1,5-3в

-КПД=до 20%

-мощность излучения от 10 до 100мВт

Применяются в оптических линиях связи.

20. Приемники излучения(фотоприемники).

Фотоприемники- это устройство, предназначенное для преобразования оптического сигнала в электрический.

Под действием оптического излучения происходит изменение электрических параметров фотоприемника за счет образования дополнительных свободных носителей заряда.

Различают следующие виды фотоприемников:

-фотоэлемент -фотодиод п-н типа

-фотодиод п-и-н типа -фоторезистор

-фототранзитор -фототеристор

Фотоэлемент - это электронный прибор преобразующий световую энергию в электрическую.

Действие фотоэлемента, основывается на двух процессах:

-фотоэлектронной эмиссии - это внешний фотоэффект, выделение электронов твердыми телами и жидкостями под действием фотонов в вакуум или другие среды.

Основа на 3 последовательных действиях:

1)поглощение фотона, и появление электрона с высокой энергией

2)движение электрона к поверхности, при котором часть энергии может рассеиваться.

3)выход электрона в другую среду через поверхность раздела.

Фотоэлемент, действие которого основано на действии фотоэлектронной эмиссии представляет собой электровакуумный прибор с двумя электродами: фотокатодом и анодом.

Световой поток, падающий на фотокатод вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности, при замыкании цепи фотоэлементов, в ней протекают фототок пропорциональный световому потоку.

-внутреннем фотоэффекте- это процесс перераспределения электронов по энергетическим уровням в конденсированной среде под действием излучения.

Фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте- это полупроводниковый прибор с галогенным электронно- дырочным переходом(п-н)или полупроводниковым гетеро переходом(контакт двух различных по химическому составу двух полупроводников, или контактом метлл-проводник).

Поглощение оптического излучения в таких фотоэлементах приводит в увеличению числа свободных носителей заряда внутри полупроводника. Под действием электрического поля перехода, носителя заряда пространственно разделяются, в результате между слоями возникает фото ЭДС.

Основные параметры и характеристики фотоэлемента:

1. Чувствительность- это отношение величины фототока к величине светового потока вызывающего его. Фотоэлемент реагирует на интенсивность светового потока и на его частоту, поэтому различают чувствительность по интенсивности и спектральную.

По интенсивности(интегральная) характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока, содержащего колебания различных частот.

Спектральная чувствительность - способность фотоэлемента реагировать на световой поток, содержащий колебания одной частоты.

Чувствительность падает со временем, для восстановления чувствительности, фотоэлемент помещают в темное место.

2. Вольт –амперная характеристика- зависимость фототока от напряжения.

3. КПД.

Применение фотоэлемента:Чаще всего для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую(солнечные батареи).

21. Фоторезистор, фототиристор.

(Приемники излучения см в 20 билете)

Фоторезистор - это прибор обладающий свойством менять свое активное сопротивление под действием падающего света.

При воздействии на полупроводник электромагнитного излучения светового диапазона, часть электронов материала приобретает энергию достаточную для разрыва их связей атомами. Это явление возникновения свободных электронов приводит к увеличению проводимости полупроводника.

Фоторезистор может быть чувствительным к излучению в широком диапазоне длины волны. На чувствительность фоторезистора влияет материал из которого они сделаны. Как правило используют 2 типа материала: сернистый кадмий и селенистый кадмий.

Основные характеристики:

1.Чуввствительность

2. Вольт-амперная характеристика

3.Люкс-амперная характеристика- это зависимость светового тока от освещенности(имеют нелинейную характеристику.)

Недостаток:

-низкое быстродействие

Применение:

В цепях постоянного и переменного тока радиоэлектронной аппаратуры.

Фототерристор.

Терристор - переключающий элемент с многослойной полупроводниковой структурой. В его структуре может быть 4 и более слоя(p-n-p-n). Благодаря этой особенности, терристор способен включать электрический ток, если к его внутренним слоям приложено напряжение.

Фототерристор имеет сходную структуру, но включается не напряжением, а светом попадающим на затвор.

При засвечивании базовой области фототерристора, излучение, мощность которого выше порога отпирания фототерристора, он переходит из запертого состояния в открытое. После снятия светового воздействия фототерристор остается в открытом состоянии. Для того чтобы вернуть фототерритсор в закрытое состояние необходимо уменьшить величину, приложенного к нему напряжения.

Достоинства:

-скорость отклика на свет меньше одной микросекунды, что позволяет использовать фототерристоры в различный светочувствительных системах(пожарный датчик)

-способен переключать большие токи и напряжение слабым световым сигналом.

22. Фотодиод.

(Приемники излучения см в 20 билете)

Фотодиод - это приемник оптического излучения, который преобразует свет в электрический заряд, за счет процессов в п-н переходе в его фото чувствительной области.

Принцип работы:

Под действием квантов света, происходит генерация свободных носителей заряда, которые устремляются к границе п-н перехода(к базе н-области). Ширина н-области делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в п-область. Ток фотодиода определяется током не основных носителей(дрейфовых). Быстродействие фотодиода определяется скорость разделения носителей.

Может работать в 2 режимах:

-фотогальвонический, режим без использования дополнительных источников энергии. Работает только под действием оптического излучения.

-фотодиодный, с внешним обратным источником напряжения.

Особенности:

-простота изготовления

-высокое быстродействие

-невысокая чувствительность(используется как составная часть других фотоприемников).

P-i-n фотодиод.

В его структуре присутствуют область изолятора, заключенная между двумя областями противоположной проводимости.

Засвечивается i-область, в результате чего в ней появляются свободные носители зарядов, которые ускоряются электрическим полем p-n перехода. Это дает преимущества в быстродействии и чувствительности по сравнению с обычными диодами. Фотодиоды не могут усиливать ток но имеют низкое рабочее напряжение, что делает их неотъемлимыми элементами оптоэлектроники. Применяется чаще всего в оптронах, устройствах чтения компакт дисков, в пультах дистанционного управления.

23. Фототранзисторы.

(Приемники излучения см в 20 билете)

Отличаются от стандартного транзистора только наличием фотоприемного окна в области базы. Как и обычный транзистор может усиливать ток. Напряжение к фототранзистору прикладывается таким образом, что на эммиторном переходе- прямое смешение, на коллекторном- обратное, на базе- свободное. Питание как правило подается на коллектор. Дырки из электронно- дырочных пар, рожденные излучение собираются в базе, а электроны переходят в эмитер или коллектор, при этом увеличивается положительный потенциал базы, что усиливает инжекцию электронов в базу, благодаря чему усиливается фототок. Материал из которого изготавливается фототранзистор- кремний или германий.

Достоинства:

-высока фоточувствительность(благодаря усилительным свойствам транзистора)

-полная совместимость с интегральной технологией.

Недостаток:

-большая инерционность

Время задержки распространения порядка 10^-5 c.

25. Приемники излучения. Многоэлементные фотоприемники

(Приемники излучения см в 20 билете)

Относятся к числу наиболее развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Реагируют не только на яркостные характеристики, но и на пространственные параметры объектов, то есть оперируют с изображениями. Разновидности МФП:

- сканирующие - оптическое излучение от объекта фокусируется на фоточувствиетльную поверхность, которая состоит из множества элементов, с дальнейшим преобразованием световой энергии в электрическую (яркостная картина преобразуется в электрический рельеф). В качестве элементов МФП используются любые из рассмотренных ранее фотоприемников. При сканировании проводится последовательный опрос каждого элемента и формируется на выходе устройства последовательность электрических сигналов, которой закодирован воспринимаемый образ;

- приборы с зарядовой связью - представляют собой матрицу, состоящую из МДП структур, которые располагаются на кристалле вплотную друг к другу, в результате чего между ними возникает связь.

Режимы работы:

‡ режим А - режим покоя - на все затворы подается одинаковое отрицательное напряжение U1, в результате чего создается область объемного заряда глубиной l0;

‡ режим Б - регистрация и хранение световой информации. На нужный затвор подается отрицательное напряжение U2, причем |U2|>|U1|. В этом случае под затвором глубина объемного заряда увеличивается, и создается электрическое поле.

Под действием оптического излучения в полупроводнике создаются фотоносители заряда, за счет поля они разделяются так, что положительные скапливаются у поверхности полупроводника, а отрицательные - в глубине полупроводника, то есть получается заряд, пропорциональный энергии излучения. За счет поля, созданного напряжением U2, фотодырки удерживаются на поверхности в локальном месте. Однако, через некоторое время, происходит их выравнивание по всем затворам за счет тепловой регенерации. Время хранения заряда составляет от 1 до 100 мс;

‡ режим считывания - в этом режиме на соседний с опрашиваемым затвор подается напряжение U3, причем |U3|>|U2|, в результате чего создается ускоряющее для дырок поле, вызывающее перемещение заряда.

Достоинства МФП:

- высокая чувстсвительность;

- высокая разрешающая способность;

- высокая частота сканирования (до 1000 Гц);

- малая мощность.

Применение: в системах автоматического контроля размеров и положения предметов, в устройствах ввода информации в ЭВМ.

26. Оптроны

Оптоэлектронные приборы, в которых источник и приемник излучения связаны конструктивно друг с другом. Принцип действия оптрона основа на двух преобразованиях:

- в источнике электрический сигнал преобразуется в оптический;

- в приемнике происходит обратное преобразование.

Достоинства:

- полная развязка между входом и выходом;

- отсутствие обратной связи;

- возможность устранения шума.

Недостатки:

- из-за двойного преобразования уменьшается КПД и увеличивается мощность потребления.

Структурная схема

Использование оптической среды (управляемого оптического канала) позволяет значительно расширить функциональные возможности оптронов.

Виды управляемой оптической среды:

- открытый канал - оптическая связь осуществляется через воздушную среду;

- канал из электро-оптического или магнитно-оптического материала - те материалы, которые изменяют свои свойства под действием электрического или магнитного поля. При этом изменяются параметры среды, такие как чувстсвительность, коэффициент пропускания;

- канал из материала, изменяющего свои свойства под действием каких-либо механических воздействий. Используется в датчиках положения.

Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приемники света; 5 – усилитель.

27. Классификация оптронов:

- по степени сложности и типу оптического канала:

‡ оптопары - включают источник, приемник и оптический канал. В зависимости от приемника бывают:

+ диодные;

+ транзисторные;

+ тиристорные;

+ транзисторные.

В качестве источника выступает светодиод.

‡ специальные оптроны:

+ оптроны с гибким световодом;

+ с открытым оптическим каналом;

+ с управляемым оптическим каналом.

‡ оптические интегральные схемы - в интегральных схемах оптические элементы встраиваются в переключательные схемы (и, или). Например, в ТТЛ элементах оптопары используются вместо многоэммитерного входного транзистора.

Данная схема реализует схему "не".

Достоинства:

+ гальваническая развязка цепей;

+ согласование различных логик по уровню;

+ совместимость с традиционными ИС;

+ малая инерционность.

28. Оптоволокно. Основные типы оптоволокна.

Двухслойное цилиндрическое оптоволокно состоит из двух цилиндров: внутреннего и внешнего. Оба цилиндра изготавливаются из оптического материала, но материалы различаются коэффициентом преломления.

Достоинство: простота изготовления. Недостаток: при передаче сигнала по двухслойному цилиндрическому каналу на большие расстояния происходит размытие и удлинение импульса, так как коэффициент преломления зависит от длины волны (n=f(лямбда)).

Градиентное (СЕЛФОК).

Показатель преломления изменяется постепенно (не ступеньчато, а плавно) от центра к краю (обычно по параболе). Луч фокусируется вдоль оси волокна. Любой отрезок волокна действует как короткофокусная линза. Такой тип оптоволокна используется при передаче информации на большое расстояние. Важнейшей характеристикой таких световодов является потеря пропускания, которые оцениваются в дБ/км. B=(1/l)*10*lg(Pвх/Pвых). l - длина волокна. P - мощность сигнала. В идеале B=0.5...1 дБ/км. Недостаток: сложность и высокие требования к изготовлению.

29. Оптические ЗУ. Структурная схема оптических ЗУ.

Оптическая память - это такое устройство, в котором хотя бы один из видов ввода или выборки информации (запись, считывание, стирание) осуществляется с использованием излучения в оптическом диапазоне. Достоинства оптических ЗУ:

- высокая плотность записи информации - 10^6 бит/мм^2;

- быстрый доступ к массивам данных;

- высокая надежность;

- отсутствие потребления энергии в режиме хранения;

- возможность параллельной обработки данных.

Недостатки:

- сложность изготовления;

- дорогостоящее изготовление.

Структурная схема

30. Оптические ЗУ. Классификация оптических ЗУ.

- высокая плотность записи информации - 10^6 бит/мм^2;

- быстрый доступ к массивам данных;

- высокая надежность;

- отсутствие потребления энергии в режиме хранения;

- возможность параллельной обработки данных.

Недостатки:

- сложность изготовления;

- дорогостоящее изготовление.

По функциональному признаку:

- оперативные ЗУ. V=10^6...10^7 бит/мм^2. tобр=10^-6 c. Для согласования более быстрого процесса с такой памятью используется промежуточное, буферное ЗУ полупроводникового типа. Применяются ограниченно;

- внешние ЗУ. Предназначены для хранения больших объемов данных. V=10^8...10^9 бит/мм^2. Отличаются невысокой частотой обращения, поэтому нет жестких требований к времени поиска и передачи информации. tобр=10^-3...1 с.

- долговременные (архивные) ЗУ. Частота обращения к таким устройствам самая низкая, иногда достаточно однократного занесения данных, поэтому tобр не нормируется. Самый большой объем. V=10^11...10^12 бит/мм^2.

По характеру организации доступа к информации:

- с произвольным доступом - обращение к данным происходит по адресу;

- с последовательным доступом - обращение происходит по идентификатору.

По способу представления информации:

- побитные - каждому биту информации соответствует отдельный локальный участок запоминающей среды;

- символьные - элементарный участок ЗС хранит некоторый объем информации (обычно 1 байт), называемый образом;

- голографические - на определенном участке носителя записана страница данных (в виде картинки). V=10^5...10^6 бит/мм^2. Отдельные зоны этого участка хранят информацию всей странрицы. Достоинства:

‡ высокая плотность записи;

‡ большая скорость записи;

‡ возможность параллельной записи информации (не по 1 биту, а целыми страницами).

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89