Fakulta Elektrotechniky a Informatiky STU – Katedra...

1

Fakulta Elektrotechniky a Informatiky Fakulta Elektrotechniky a Informatiky SSTTUU –– KatedraKatedra MiMikkroeleroelekktronitronikyky

Optoelektronika a laserová technikaOptoelektronika a laserová technika

Úvodná prednáška do Úvodná prednáška do OEaLTOEaLT::

Úvod do optoelektroniky,Úvod do optoelektroniky,spektrum optického žiareniaspektrum optického žiarenia,,fyzikálna podstata žiareniafyzikálna podstata žiarenia,,

šírenie optickej vlny v rôznych prostrediachšírenie optickej vlny v rôznych prostrediach

2


Obsah

Sylaby predmetu OEaLTOptoelektronika - vymedzenie pojmu, význam a použitie.Spektrum optického žiareniaFyzikálna podstata žiarenia:

vlnová teóriakvantová teória.

Šírenie optickej vlny v rôznych prostrediach:odrazabsorpciaprechod žiareniaSnellov zákon

3


...

Garant predmetu a prednášajúci:Garant predmetu a prednášajúci:Prof. Ing. František Uherek, PhD.

miestnosť (E504) E602

Skúška z predmetu OEaLT: 70 bodovCvičenia z predmetu: 30 bodov

Vedúci cvičení:Vedúci cvičení:Ing. Jaroslav Kováč

Miestnosť E513

4


Sylaby predmetu1. 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. Snellovzákon.

2. 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, CO2 a argónový laser. Polovodičové lasery, princip činnosti, konštrukcia rôznych typov, základné charakteristiky a parametre. Aplikácie polovodičových laserov.

10. 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.

11. Aplikácie laserov vo výrobnej metrológii a diagnostike. Laserové nastavovanie, meranie rozmerov, vzdialeností, rýchlosti, zrýchlenia a vibrácií. Laserová holografická a spekl (speckle) interferometria.

12. Súčasné trendy rozvoja optoelektroniky a laserovej techniky v nádväznosti na rozvoj automobilového priemyslu.

5


OPTOELEKTRONIKAOPTOELEKTRONIKAOptoelektronikaOptoelektronika 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, ...)

optické žiarenie (výkon, vlnová dĺžka, ...)

zdroj žiarenia

(LED, LD)

detektor žiarenia

(fotodióda)

optické komunikač-né systémy, optočleny

modulátor, spínač,

prepínač

6


OPTOELEKTRONIKAOPTOELEKTRONIKA

Význam optoelektronikyVýznam optoelektroniky

Systémy, zariadenia a prístroje pracujúce na základe optoelektronických technológií zohrávajú neustále sa zväčšujúcu úlohu v globálnej ekonomike.Viacerí analytici označujú očakávaný význam optoelektroniky pre 21 storočie obdobný aký mala elektronika v 20 storočí.Svetová produkcia OE komponentov dosiahla v r. 1995 objem 6,4 bilióna USD, v r. 2001 prekročil hranicu 12 biliónov USD a je reálny predpoklad, že v r. 2006 prekročí hranicu 24 biliónov USD.

7


Polovodičové materiályPolovodičové materiálypoužívané pre optoelektronické súčiastky

Elementárne polovodiče: Si, Ge - nevyužívajú sa pre zdrojeBinárne polovodiče: dva komponenty: GaAs, InP, GaP …(III-V), (II-VI)Ternárne zlúčeniny: AlxGa1-xAs (III-V)

B C N O

SPSiAl

Zn Ga Ge As Se

Cd In Sn Sb Te

II

III IV V VI

8


Typické aplikácie optoelektroniky v praxiTypické aplikácie:

optické komunikáciedispleje, indikátorypoužitie v metrológiispotrebná elektronikaoptické vláknové senzorysolárne článkylasery a ich aplikácieholografiaautomobilový priemyselčítanie čiarových kódovtlačiarne...

9


Elektromagnetické spektrum

0,3nm 0,3µm 0,3mm 30cm 300m 300km

1018Hz 1015Hz 1012Hz 1GHz 1MHz 1kHz

mikrovlny dlhé vlny

stredné vlny

krátke vlnyVKVinfračervená

oblasť(IČ - IR)

ultrafialová oblasť

(UF - UV)

röntgenovevlny

gama žiarenie

kozmické žiarenie

viditeľné žiarenie

Spektrum optického žiareniaElektromagnetické vlny

od 100 nm po 100 µm

10


Rozdelenia spektra optického žiarenia

viditeľná oblasťVIS

ultrafialová oblasťUV

infračervená oblasťIR

100nm 370nm 760nm 100µm

Ultrafialové žiarenie:Ultrafialové žiarenie: Infračervené žiarenie:Infračervené žiarenie:krátkovlnné pásmo UV-A 370 – 315nm krátkovlnné pásmo IR-A 0,76 – 1,6µmstredné pásmo UV-B 315 – 280nm stredné pásmo IR-B 1,6 – 3,0µmdlhovlnné pásmo UV-C 280 – 100nm dlhovlnné pásmo IR-C 3,0 – 100µm

Viditeľné žiarenie (svetlo):Viditeľné žiarenie (svetlo):Červená 760-622nmOranžová 622-597nmŽltá 597-577nmZelená 577-492nmModrá 492-455nmFialová 455-370nm

11


„Svetlo“ – viditeľná časť optického žiarenia

optické žiarenie nie je jednoduchým prírodným javomsú potrebné dva modely na jeho popis:

vlnová teória (Fresnel, Huygens, Hook, Maxwell)kvantová teória (Planck, Einstein, de Broglie, Schrödinger)

Maxwell v roku 1864 určil vzťah pre matematické vyjadrenie rýchlosti svetla

– µ0 – permeabilita – ε0 – permitivita

sm10.31 8

00

≈=εµ

c

12


Vlnová teóriaoptické žiarenie má charakter elektromagnetického vlneniaPredpokladá spojitý prenos energieelektromagnetická vlna má časovo premennú

elektrickú EE zložkumagnetickú HH zložku

vektory EE a HH sú navzájom kolmé, kmitajúpriečne na smer šírenia vlny, pričom rovina kmitania vektorov sa neustále mení.

podľa Maxwella platí vzťah:

• tento vzťah sa volá vlnová rovnicapomocou vlnovej teórie môžme popísať:

šírenie optického žiarenia v rôznych prostrediachdifrakciuinterferenciupolarizáciu

( ) ( )HEtc

HE ,1, 2

2

22

∂∂

=∇

smer šírenia vlny

E

H

13


Vlnová teóriaλ – vlnová dĺžkaf – frekvenciavo vákuu platí

pre reálne prostredie: kde n je index lomu (materiálová konštanta charak-terizujúca dané prostredie, popisujúca o koľko sa zníži rýchlosť svetla v prostredí voči rýchlosti šírenia vo vákuu, udáva možnosť polarizovateľnostimateriálu pri interakcii elektromagnetického poľa s dipólom materiálu)µr – relatívna permeabilitaεr – relatívna premitivitaν – rýchlosť svetla v reálnom prostredí

pre vlnočet platí:

λλ

A⎥⎦⎤

⎢⎣⎡= m

ssmfc ,1; . 0λ

λ.fncv ==

rrn εµ=

λν 1=

14


Kvantová teóriaEinstein rozvinul hypotézy Plancka a sformuloval základy kvantovej teóriekvantová teória dopĺňa vlnovú teóriupopisuje „svetlo“ – optické žiarenie ako tok elementárnych častícoptická energia je vyžarovaná po malých dávkach – kvantáchkvantum optického žiarenia sa nazýva fotónfotónEnergia fotónuEnergia fotónu závisí od frekvencie (vlnovej dĺžky)

h = 6,626x10-34 J.s – Planckova konštanta

pomocou kvantovej teórie môžme popísať:absorpciuemisiufotoelektrický jav

[ ]J λchfhE ⋅=⋅=

cfotón

15


Kvantová teóriaAkú energiu má fotón s vlnovou dĺžkou 780nm?Energia fotónuEnergia fotónu

Pri vyjadrení energie fotónu v Jouloch dostávame veľmi malé hodnoty, preto zavedieme energiu v elektrónvoltochoznačujeme – eVenergiu 1eV dosiahne elektrón ak je urýchlený potenciálnym rozdielom 1Vplatí: 1eV = 1,602.10-19J

Potom pre energiu fotónu s λ = 780nm platí, že E = 1,59eV.

Energia fotónov na hranici optického žiarenia:λ = 100nm (f=2998THz) E = 12,4eV UV – oblasťλ = 100µm (f=2,998THz) E = 0,0124eV = 12,4meV IR – oblasť

J10.54.2m10.780

ms10.3Js10.62,6 199

1834 −

−

−− =⋅=⋅=

λchE

[ ]][

24.1m

eVEµλ

=

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.

17

Fakulta Elektrotechniky a Informatiky Fakulta Elektrotechniky a Informatiky SSTTUU –– KatedraKatedra MiMikkroeleroelekktronitronikykyInterakcia optického žiarenia a látky

Zachovanie fotónu Neionizujúca premena fotónu Ionizujúca premena fotónu

priepustnosť fotoluminiscencia fotoemisia

rozptyl absorpcia fotoelektrická vodivosť

odraz vznik excitónu generácia páru e-h

hf hf hf

hf1

hω

hf > hf1

hf

e

hω

hf hf hf

hωq

hωhf

hωq

e

hf

hf

hf

hωq

e-

h+ hf

hωq

e-

h+

18


Šírenie optického žiarenia v prostredí

n1

n2

Φr

Φe

Φa

Φt

Po dopade žiarivého toku Φe na povrch látky dochádza k nasledovným procesom:

časť : Φr sa odráža od povrchučasť : Φa sa pohlcuje v látkečasť : Φt prechádza látkou

Pre celkový dopadajúci žiarivý tok platí:

– činiteľ odrazivosti (reflektivita)

– činiteľ pohltenia (absorpcia)

– činiteľ priepustnosti (transmisia)

1=ΦΦ

+ΦΦ

+ΦΦ

e

t

e

a

e

r

( )λRe

r =ΦΦ

( )λAe

a =ΦΦ

( )λTe

t =ΦΦ

( ) ( ) ( ) 1=++ λλλ TAR

19


Šírenie optického žiarenia v reálnom prostredí - zákon odrazu a lomu pri kolmomkolmom dopade žiarenia

činiteľ odrazivosti (reflektivita)ak κ = 0, potom:

činiteľ pohltenia (absorpcia)koeficient extinkcie κ súvisí s koeficientom absorpcie α:

činiteľ priepustnosti (transmisia, κ = 0)

n1

n2

TT

RR

ΦΦee( ) ( )

( )212

212

nnnnR

+−

=λ( ) ( ) ( )( ) ( )22

12

2212

κκλ

+++−

=nnnnR

λκπα ..4

=

( )( )212

21..4nnnnT

+=λ

20


Praktické aplikácieantireflexná vrstva:

dielektrické zrkadlo:

(viacnásobná interferencia a optické rezonátory: Fabry - Perot)

312 nnn ⋅= polovodičová súčiastkaantireflexnávrstva

povrch

n3

AB

n2n1

d2

40

2211λ=⋅=⋅ ndnd

n1

ABC

odrazivos

0

1

33

1 2 21

ť

0 550 770

λ0

20

22λ=⋅nd

n2 n1 n2

d1=λ1/4 d2=λ2/4

λ0

λ (nm)

21

Fakulta Elektrotechniky a Informatiky Fakulta Elektrotechniky a Informatiky SSTTUU –– KatedraKatedra MiMikkroeleroelekktronitronikykyŠírenie optického žiarenia na rozhraní dvoch prostredí

Snellov zákon

n2

z

y

O n1

λ λ

dopadajúce žiarenie

θt

λt

prepustené žiarenie

odrazené žiarenie

kt

B′A

B

A′

A ′′

ki

kr

θt

θi θiθr θr

Ai

BiAr

Br

Bt

AtPopis správania žiarenia na rozhraní dvoch materiálov s rôznym indexom lomu pri nekolmom dopade

platí (Snellov zákon):

Index lomu vákua n=1

22

11

'

'

ncttvAA

ncttvBB

==

==

t

i

AAABBBAB

θθ

sin''sin''

==

ti

tvtvABθθ sinsin

' 21 ==

1

2

2

1

sinsin

nn

vv

t

i ==θθ

22


Šírenie optického žiarenia na rozhraní dvoch prostredíFresneloveFresnelove vzťahyvzťahy

( )( )21

2113 αα

αα+−

=tgtgEE pp

( )( )21

2113 sin

sinαααα

+−−

= ss EE

α1 α3

α2 E2p

E3pE1p

E2s

E3sE1s Fresnelove vzťahy udávajú veľkosť intenzity (amplitúdu) a fázy elektrického poľa pri odraze a priepustnosti v závislosti od intenzity dopadajúceho optického žiarenia:α1 = α3, α2 < α1 pre n2 > n1

( ) ( )2121

1212 cossin

cossin2αααα

αα−+

= pp EE

( )21

1212 sin

cossin2αααα

+= ss EE

23


Úplný odraz na rozhraní dvoch prostredí

ak n1 > n2 potom optické žiarenie prechádzajúce do prostredia s indexom lomu n2 sa láme pod väčším uhlom ako je uhol dopadukeď tento uhol sa rovná 90°, hovoríme o medznom (kritickom) uhleak uhol dopadu bude väčší ako θK, dôjde k úplnému odrazu

i

t

nn

θθ

sinsin

2

1 =

n2

θin1 > n2

dopadajúcežiarenie

prechádzajúcežiarenie

odrazenéžiarenie

kt

úplný odraz

ki kr

a) b) c)

θr

θt

θK θK

θi > θK

°= 90sinsin 21 nn Kθ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

1

2arcsinnn

Kθprincíp vedenia optického signálu (optické vlnovody, optické vlákna)

24


Brewsterov uhol – polarizačný uhol

n1

n2

αΒ αΒ

π/2Brewsterov uhol: ak n2 > n1 potom pre tento uhol platí, že dochádza k polarizácii žiareniaodrazí sa iba kolmá zložka elektrického poľaα1-α2 → π/2; E3p→0

φ //

φ⊥

(b)

60

120

180

uhol dopadu θi

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

| r // |

| r⊥ |θB

(a)

koeficient odrazivosti R fáza

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

úplný odraz

0

−60

−120

−180

θK

θK

θB

uhol dopadu θi

( )( )21

21

1

3

αααα

+−

==tgtg

EE

rp

pp

( )( )21

21

1

3

sinsin

αααα

+−

==s

ss E

Er

r – reflexný koeficient

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

1

2

nnarctgBα

25


Ďakujem za pozornosť

Date post:	07-Feb-2018
Category:	Documents
Upload:	nguyenkiet
View:	232 times
Download:	6 times

Fakulta Elektrotechniky a Informatiky STU – Katedra...

Documents