Optoelektronika a laserová technika

Transcript

1 Optoelektronika a laserová technika Úvodná prednáška do OEaLT: Úvod do optoelektroniky, spektrum optického žiarenia, fyzikálna podstata žiarenia, šírenie optickej vlny v rôznych prostrediach

2 Obsah Sylaby predmetu OEaLT Optoelektronika - vymedzenie pojmu, význam a použitie. Spektrum optického žiarenia Fyzikálna podstata žiarenia: vlnová teória kvantová teória. Šírenie optickej vlny v rôznych prostrediach: odraz absorpcia prechod žiarenia Snellov zákon

3 ... Garant predmetu a prednášajúci: Prof. Ing. František Uherek, PhD. miestnosť (E504) E60 Skúška z predmetu OEaLT: Cvičenia z predmetu: 70 bodov 30 bodov Vedúci cvičení: Vedúci cvičení: Ing. Jaroslav Kováč Miestnosť E53 3

4 Sylaby predmetu. Optoelektronika - vymedzenie pojmu, význam a použitie. Spektrum optického žiarenia. Fyzikálna podstata žiarenia, vlnová a kvantová teória. Šírenie optickej vlny v rôznych prostrediach; odraz, absorpcia a prechod žiarenia. Snellov zákon.. Rádiometria a fotometria. Veličiny charakterizujúce optické žiarenie. Žiarenie absolútne čierneho telesa, základné zákony (Kirchhoffov, Stefan-Boltzmanov, Planckov, Wienov). Rozdelenie zdrojov žiarenia podľa charakteru rozloženia žiarivej energie a charakteru jeho vzniku (rovnovážne a nerovnovážne). 3. Rovnovážne a nerovnovážne stavy kvantového systému. Interakcia optického žiarenia a látky, spontánne a indukované prechody, inverzná populácia, Einsteinove koeficienty. Základy teórie kvantových prestupov v polovodičoch a možnosti ich využitia v optoelektronických prvkoch. Priame a nepriame polovodiče. Polovodičové materiály pre OE prvky. 4. Detektory optického žiarenia, ich rozdelenie a charakterizácia. Tepelné fotodetektory (termistory, termočlánky a pyroelektrické fotodetektory), kvantové fotodetektory - fotonásobiče, fotodiódy, fotorezistory a fototranzistory, ich princip činnosti, konštrukcia, základné parametre a použitie. 5. Elektroluminiscenčné diódy - LED. Princip činnosti, konštrukcia (štruktúra), základné parametre a aplikácie. Elektronické obvody s LED. 6. Displeje, rozdelenie, charakterizácia a použitie. Zapojenia s LED a LC displejmi. Optróny a ich použitie. 7. Optické vlákna a ich použitie. Optické vláknové senzory. Principy optického prenosu informácií a jeho aplikácie. Holografia, princip a jej využitie. 8. Základy teórie laserov. Zosilnenie a vznik oscilácií optického žiarenia v aktívnej látke. Dvojhladinové a viachladinové kvantové systémy. Optické rezonančné obvody. Spektrum žiarenia laserov. Selekcia módov. Koherencia, smerovosť a polarizácia laserového žiarenia. 9. Rozdelenie a charakterizácia laserov. Tuhofázové lasery, YAG:Nd a Rubínový laser. Kvapalinové lasery. Plynové lasery, He-Ne, CO a argónový laser. Polovodičové lasery, princip činnosti, konštrukcia rôznych typov, základné charakteristiky a parametre. Aplikácie polovodičových laserov. 0. Priemyselné aplikácie laserov - charakterizácia, základné výhody a nevýhody. Fyzikálne procesy pri interakcii laserového žiarenia a látky Opracovanie materiálov laserom - tepelné spracovanie, zváranie, rezanie, vŕtanie a popisovanie.. Aplikácie laserov vo výrobnej metrológii a diagnostike. Laserové nastavovanie, meranie rozmerov, vzdialeností, rýchlosti, zrýchlenia a vibrácií. Laserová holografická a spekl (speckle) interferometria.. Súčasné trendy rozvoja optoelektroniky a laserovej techniky v nádväznosti na rozvoj automobilového priemyslu. 4

5 OPTOELEKTRONIKA Optoelektronika je vedný a technický odbor zaoberajúci sa interakciou optického žiarenia a látky (interakcia medzi fotónmi a elektrónmi) v rôznych prostrediach a možnosťami využitia tejto interakcie na generáciu, prenos, spracovanie, uchovanie a detekciu optického žiarenia. elektrické pole (napätie, prúd,...) zdroj žiarenia (LED, LD) detektor žiarenia (fotodióda) optické komunikačné systémy, optočleny modulátor, spínač, prepínač optické žiarenie (výkon, vlnová dĺžka,...) 5

6 Význam optoelektroniky OPTOELEKTRONIKA Systémy, zariadenia a prístroje pracujúce na základe optoelektronických technológií zohrávajú neustále sa zväčšujúcu úlohu v globálnej ekonomike. Viacerí analytici označujú očakávaný význam optoelektroniky pre storočie obdobný aký mala elektronika v 0 storočí. Svetová produkcia OE komponentov dosiahla v r. 995 objem 6,4 bilióna USD, v r. 00 prekročil hranicu biliónov USD a je reálny predpoklad, že v r. 006 prekročí hranicu 4 biliónov USD. 6

7 Polovodičové materiály používané pre optoelektronické súčiastky Elementárne polovodiče: Si, Ge - nevyužívajú sa pre zdroje Binárne polovodiče: dva komponenty: GaAs, InP, GaP (III-V), (II- VI) Ternárne zlúčeniny: Al x Ga -x As (III-V) III IV V VI B C N O II Al Si P S Zn Ga Ge As Se Cd In Sn Sb Te 7

8 Typické aplikácie optoelektroniky v praxi Typické aplikácie: optické komunikácie displeje, indikátory použitie v metrológii spotrebná elektronika optické vláknové senzory solárne články lasery a ich aplikácie holografia automobilový priemysel čítanie čiarových kódov tlačiarne... 8

9 Elektromagnetické spektrum 0,3nm 0,3µm 0,3mm 30cm 300m 300km kozmické žiarenie röntgenove vlny viditeľné žiarenie stredné vlny gama žiarenie ultrafialová oblasť (UF - UV) infračervená oblasť (IČ -IR) mikrovlny VKV krátke vlny dlhé vlny 0 8 Hz 0 5 Hz 0 Hz GHz MHz khz Spektrum optického žiarenia Elektromagnetické vlny od 00 nm po 00 µm 9

10 Rozdelenia spektra optického žiarenia ultrafialová oblasť UV viditeľná oblasť VIS infračervená oblasť IR 00nm 370nm 760nm 00µm Ultrafialové žiarenie: Infračervené žiarenie: krátkovlnné pásmo UV-A nm krátkovlnné pásmo IR-A 0,76,6µm stredné pásmo UV-B 35 80nm stredné pásmo IR-B,6 3,0µm dlhovlnné pásmo UV-C 80 00nm dlhovlnné pásmo IR-C 3,0 00µm Viditeľné žiarenie (svetlo): Červená 760-6nm Oranžová 6-597nm Žltá nm Zelená nm Modrá nm Fialová nm 0

11 Svetlo viditeľná časť optického žiarenia optické žiarenie nie je jednoduchým prírodným javom sú potrebné dva modely na jeho popis: vlnová teória (Fresnel, Huygens, Hook, Maxwell) kvantová teória (Planck, Einstein, de Broglie, Schrödinger) Maxwell v roku 864 určil vzťah pre matematické vyjadrenie rýchlosti svetla c µ 8 0 ε m s µ 0 permeabilita ε 0 permitivita

12 Vlnová teória optické žiarenie má charakter elektromagnetického vlnenia Predpokladá spojitý prenos energie elektromagnetická vlna má časovo premennú E elektrickú E zložku magnetickú H zložku vektory E a H sú navzájom kolmé, kmitajú priečne na smer šírenia vlny, pričom rovina kmitania vektorov sa neustále mení. podľa Maxwella platí vzťah: ( ) ( ) E H E, H, c t tento vzťah sa volá vlnová rovnica pomocou vlnovej teórie môžme popísať: šírenie optického žiarenia v rôznych prostrediach difrakciu interferenciu polarizáciu H smer šírenia vlny

13 λ vlnová dĺžka f frekvencia vo vákuu platí pre reálne prostredie: c v n n pre vlnočet platí: Vlnová teória m c f. λ 0 ;, m s s µ ε r f.λ r ν λ A kde n je index lomu (materiálová konštanta charakterizujúca dané prostredie, popisujúca o koľko sa zníži rýchlosť svetla v prostredí voči rýchlosti šírenia vo vákuu, udáva možnosť polarizovateľnosti materiálu pri interakcii elektromagnetického poľa s dipólom materiálu) µ r relatívna permeabilita ε r relatívna premitivita ν rýchlosť svetla v reálnom prostredí λ 3

14 Kvantová teória Einstein rozvinul hypotézy Plancka a sformuloval základy kvantovej teórie kvantová teória dopĺňa vlnovú teóriu popisuje svetlo optické žiarenie ako tok elementárnych častíc optická energia je vyžarovaná po malých dávkach kvantách kvantum optického žiarenia sa nazýva fotón Energia fotónu závisí od frekvencie (vlnovej dĺžky) E h f h [] J h 6,66x0-34 J.s Planckova konštanta pomocou kvantovej teórie môžme popísať: absorpciu emisiu fotoelektrický jav c λ fotón c 4

15 Kvantová teória Akú energiu má fotón s vlnovou dĺžkou 780nm? Energia fotónu E h c λ 6, ms m Pri vyjadrení energie fotónu v Jouloch dostávame veľmi malé hodnoty, preto zavedieme energiu v elektrónvoltoch označujeme ev energiu ev dosiahne elektrón ak je urýchlený potenciálnym rozdielom V platí: ev, J Js Potom pre energiu fotónu s λ 780nm platí, že E,59eV. [ ] E ev λ[ µ m] J Energia fotónov na hranici optického žiarenia: λ 00nm (f998thz) E,4eV UV oblasť λ 00µm (f,998thz) E 0,04eV,4meV IR oblasť 5

16 Interakcia optického žiarenia s látkami Pri interakcii môže dosť k mnohým procesom, ktoré môžme zadeliť do troch skupín, pri ktorých dochádza: k zachovaniu fotónu, k neionizujúcej premene fotónu, k ionizujúcej premene fotónu. 6

17 Interakcia optického žiarenia a látky Fakulta Elektrotechniky a Informatiky STU Katedra Mikroele Zachovanie fotónu Neionizujúca premena fotónu Ionizujúca premena fotónu hf hf hω hf hf hω hf e hf > hf priepustnosť fotoluminiscencia fotoemisia hf hf hf hω hf e hω q hω q rozptyl absorpcia fotoelektrická vodivosť hf hf e - h + hf e - hf odraz vznik excitónu generácia páru e-h hω q h + hω q 7

18 Šírenie optického žiarenia v prostredí Po dopade žiarivého toku Φ e na povrch látky dochádza k nasledovným procesom: časť : Φ r sa odráža od povrchu časť : Φ a sa pohlcuje v látke časť : Φ t prechádza látkou Pre celkový dopadajúci žiarivý tok platí: Φ Φ Φ Φ Φ Φ r e a e t e R( λ) A( λ) T ( λ) činiteľ odrazivosti (reflektivita) činiteľ pohltenia (absorpcia) činiteľ priepustnosti (transmisia) R Φ Φ r e + Φ Φ a e + Φ Φ t e ( λ) + A( λ) + T ( λ) Φ r Φ a Φ t Φ e n n 8

19 Šírenie optického žiarenia v reálnom prostredí - zákon odrazu a lomu pri kolmom dopade žiarenia činiteľ odrazivosti (reflektivita) R ( λ) ( n n ) + ( κ ) ( n + n ) + ( κ ) činiteľ pohltenia (absorpcia) ak κ 0, potom: ( ) ( n n ) R λ n + n koeficient extinkcie κ súvisí s koeficientom absorpcie α: 4. π. κ α λ činiteľ priepustnosti (transmisia, κ 0) T ( λ) 4. n. n ( n + n ) ( ) R T Φ e n n 9

20 Praktické aplikácie antireflexná vrstva: d n n n 3 d n λ 0 A B n n n3 povrch antireflexná vrstva polovodičová súčiastka dielektrické zrkadlo: d λ /4 d λ /4 odrazivosť λ 0 d n d n λ 0 4 A B C 0 λ (nm) n n n n (viacnásobná interferencia a optické rezonátory: Fabry - Perot) λ 0 0

21 Šírenie optického žiarenia na rozhraní dvoch prostredí Snellov zákon Popis správania žiarenia na rozhraní dvoch materiálov s rôznym indexom lomu pri nekolmom dopade BB' v t AA' v t ct n platí (Snellov zákon): Index lomu vákua n ct n AB AB' AB' BB' AA' v t v t sinθ sinθ ' sinθ sinθ i i t v v sinθ i sinθ t n n t A i y z B O n λ dopadajúce žiarenie prepustené žiarenie A B i θ t θ i θ r k i A A B λ t θ i A r θ t θ r k r A t k t n λ B t B r odrazené žiarenie

22 Šírenie optického žiarenia na rozhraní dvoch prostredí Fresnelove vzťahy Es E p α α 3 E 3p E 3s E E 3 p 3s E p Es tg tg sin sin ( α α ) ( α + α ) ( α α ) ( α + α ) Fresnelove vzťahy udávajú veľkosť intenzity (amplitúdu) a fázy elektrického poľa pri odraze a priepustnosti v závislosti od intenzity dopadajúceho optického žiarenia: α α 3, α < α pre n > n α E s E p E p E p sin sinα cosα ( α + α ) cos( α α ) E s Es sinα cosα sin ( α + α )

23 Úplný odraz na rozhraní dvoch prostredí ak n > n potom optické žiarenie prechádzajúce do prostredia s indexom lomu n sa láme pod väčším uhlom ako je uhol dopadu keď tento uhol sa rovná 90, hovoríme o medznom (kritickom) uhle ak uhol dopadu bude väčší ako θ K, dôjde k úplnému odrazu n n n θ K sinθt sinθ i sinθ K sin 90 n n arcsin n k i dopadajúce žiarenie θ t θ r prechádzajúce žiarenie k t n θ i n > n k r odrazené žiarenie θ K θ K θ i > θ K úplný odraz a) b) c) princíp vedenia optického signálu (optické vlnovody, optické vlákna) 3

24 Brewsterov uhol polarizačný uhol Brewsterov uhol: ak n > n potom pre tento uhol platí, že dochádza k polarizácii žiarenia odrazí sa iba kolmá zložka elektrického poľa α -α π/; E 3p 0 α Β α Β π/ n n r s r p E E E E 3s s 3 p p tg tg sin sin r reflexný koeficient α B ( α α ) ( α + α ) ( α α ) ( α + α ) n arctg n koeficient odrazivosti R (a) r θ B θ K r // uhol dopadu θ i fáza úplný odraz (b) φ θ B θ K φ // uhol dopadu θ i 4

25 Ďakujem za pozornosť 5