Посвящение в радиоэлектронику

Что это такое?

Оптоэлектроника — это сплав, синтез оптики и электроники. Она занимается вопросами совместного использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации.

Давно прошло время, когда единственными источниками света были Солнце, Луна, звезды и костры, а единственным имеющимся в нашем распоряжении приемником света — собственные глаза. Естественные источники излучают некогерентный свет — электромагнитные волны с различными частотами, хаотически изменяющимися фазами и всевозможной поляризацией. Такой же свет дают и различные электрические светильники: лампа накаливания, газосветная трубка, вольтова дуга. Некогерентный свет не удастся сфокусировать в достаточно узкий и тонкий пучок — луч хотя бы потому, что источник имеет конечные размеры, причем далеко не малые по сравнению с длиной волны.

Но как же так, спросит читатель, раньше мы говорили, что чем больше размеры излучателя электромагнитных воли антенны, тем уже его диаграмма направленности. Это верно, но при условии, что волны, излучаемые разными участками источника, когерентны, т. е. имеют одинаковую частоту и постоянный сдвиг фаз. Тогда излучение отдельных участков источника складывается в главном направлении, формируя узкий луч. Некогерентные источники не обладают таким свойством, и сложения волн не происходит. Разумеется, удается в определенной мере сфокусировать лучи и некогерентных источников. Примером тому служит обыкновенный прожектор. Но расходимость его луча остается значительной, и высокой концентрации энергии в луче не получается.

Эпоха когерентной оптики наступила с изобретением оптического квантового генератора — лазера. Он открыл невиданные прежде возможности и в оптоэлектронике. Приведу лишь некоторые примеры. С помощью лазерного локатора (лидара) расстояние до Луны можно определить с точностью до нескольких сантиметров. Мощные лазеры способны «прожигать» толстые стальные листы. В современной геодезии многие работы (нивелирование, определение координат опорных пунктов) производятся с помощью лазерных оптоэлектронных приборов. Оптические устройства голографической памяти способны хранить на пластинке (микрофише) размером не более обычного кадра на кинопленке несколько мегабайт цифровой информации.

Видимый участок электромагнитного спектра.

Оптоэлектронные приборы могут работать в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Освоенной областью считается диапазон длин волн излучения от 0,2 до 50 мкм. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот — электрических в оптические. Оптоэлектроника изучает также процессы распространения излучения в различных средах и взаимодействие излучения с веществом. Оптоэлектроника примыкает к ряду дисциплин, превратившихся уже в целые научные направления. Сюда относятся квантовая электроника, полупроводниковая электроника, физика твердого тела, голография, нелинейная оптика и многие другие. Большинство оптоэлектронных приборов содержит в своем составе генераторы и приемники излучения. К их описанию мы и перейдем.

Лазеры

Теоретические основы оптического квантового генератора разработали советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, а также независимо от них американцы А. Шавлов и У. Таунс. За свои открытия они были удостоены Нобелевской премии. Первый работающий лазер на рубине продемонстрировал Т. Меймен (США) в 1960 году.

В лазере излучают атомы вещества — рабочего тела лазера. Рабочее тело может быть и твердым, и жидким (очень редко), и газообразным. Чтобы атомы излучали, их надо прежде всего возбудить, т. е. сообщить им энергию. В твердотельных лазерах для этого служит оптический генератор накачки — импульсная лампа — вспышка большой мощности. Ее трубка расположена рядом с рабочим телом кристаллом рубина или неодимового стекла. Твердотельные лазеры, как правило, импульсные, так как при той мощности оптического излучения, которую они генерируют (мегаватты и даже гигаватты), ни одна конструкция не выдержала бы работы более нескольких микросекунд.

Лазер на твердом теле (А, В-зеркала).

В газовых лазерах плотность атомов мала, и они могут работать в непрерывном режиме при небольших мощностях излучения: около нескольких милливатт (лазер на смеси гелия и неона, Не-Ne-лазер) или десятков ватт (инфракрасный лазер на углекислом газе СО₂). Газ этих лазеров заключен в разрядную трубку, и возбуждение атомов (накачка) осуществляется электрическим током. Но возбудить атомы рабочего вещества мало, надо заставить их излучать синхронно, всем вместе одну и ту же волну с одной и той же поляризацией и фазой. Различают спонтанное (случайное, самопроизвольное) и вынужденное излучения. Вот последнее-то и используют в лазерах. Рабочее вещество подбирают такое, чтобы у его атомов был метастабильный (почти стабильный) энергетический уровень. Атомы, возбужденные накачкой до энергии метастабильного уровня или до еще большей энергии, остаются на этом уровне некоторое время. Если в этот момент мимо возбужденного атома промчится квант света с частотой, соответствующей энергии перехода с метастабильного на более низкий уровень, то атом совершит этот переход и излучит еще один, точно такой же квант. Это и будет индуцированное, или вынужденное, излучение. Если энергию атома на метастабильном уровне обозначить E₂, а энергию на более низком уровне E₁, то условие излучения, установленное еще Нильсом Бором, можно записать так:

hv = E₂ — E₁

где h — постоянная Планка; v — частота излучения. Величина hv является энергией кванта.

Чтобы создать все условия для интенсивного индуцированного излучения, надо значительно увеличить число квантов, распространяющихся в рабочем теле лазера. Эту задачу выполняет оптический резонатор — два зеркала, установленные строго параллельно друг другу. Вы можете сделать простой опыт с двумя маленькими зеркалами. Расположите зеркала «навстречу» друг другу и посмотрите поверх одного на другое. Вы увидите отражение одного зеркала в другом, а в том — первого, и т. д. Получится туннель из ряда зеркал, уходящий очень далеко, в туманную бесконечность. Поскольку качество бытовых зеркал невысокое, вам удастся увидеть всего семь десять отражений. Качество зеркал в лазерах гораздо выше и свет переотражается десятки и сотни раз. Расстояние между зеркалами подбирается с точностью до малых долей микрометра таким образом, чтобы на длине оптического резонатора уложилось целое число полуволн лазерного излучения. В этом случае поля переотраженных волн складываются, результирующая напряженность поля возрастает в сотни раз, что как раз и нужно для индуцированного излучения атомов рабочею тела. Одно из зеркал делается полупрозрачным, пропускающим несколько процентов падающей на него оптической энергии. Оно и служит выходным окном лазера.

Газовые Не-Ne-лазеры получили самое широкое распространение. На рисунке показано устройство промышленно выпускаемого лазера. В отдельном корпусе расположен высоковольтный выпрямитель, подключаемый к сети переменного тока и создающий на разрядной трубке лазера напряжение 1…1,5 кВ при токе 15…25 мА. В цилиндрическом корпусе помещена разрядная трубка с двумя зеркалами, размещенными у ее торцов. Торцы разрядной трубки закрыты окошками из оптического стекла. Они наклонены к оси трубки под углом Брюстера _Б. Этот угол зависит от показателя преломления стекла n: tg _Б = n. Он обладает интересным свойством: свет, многократно проходя сквозь стеклянную пластинку, наклоненную под углом Брюстера, становится линейно поляризованным. Вот и вся конструкция.

Газовый лазер:

_{1 — разрядная трубка; 2 — зеркала; 3 — высоковольтный источник питания}

Луч лазера очень тонок и очень слабо расходится в пространстве. На расстоянии в один километр световое пятно, создаваемое лазером на экране, может иметь диаметр не более метра. В то же время лазерное излучение монохроматично, т. е. содержит только одну частоту или одну длину волны. Свет Не-Nе-лазера красный, а его длина волны составляет 0,63 мкм. Излучение ИК лазеров вообще не видно, но если лазер работает в дальней инфракрасной области (ИК) спектра, как, например, лазер на углекислом газе СО₂, излучающий на длине волны 10,6 мкм, то его излучение чувствуется как тепло. Из твердотельных лазеров в оптоэлектронике наибольшее применение получил лазер на кристалле алюмоиттриевого граната (Y₃Al₅O₁₂), в кристаллической решетке которого часть атомов иттрия замещена ионами неодима (Nd). Основу лазера составляет кристалл с зеркально отполированными торцами. Кристалл освещается ксеноновой лампой-вспышкой. Лазер может работать и в непрерывном режиме. К достоинствам его относятся прочность и надежность конструкции и более высокий КПД но сравнению с газовыми лазерами. Длина волны излучения лежит в ближней ИК области спектра и составляет 1,06 мкм. Но лазер может излучать и вторую гармонику основной частоты, попадающую в середину видимой части спектра. Длина волны в этом случае составляет 0,53 мкм.

Неправда ли, описанные «большие» лазеры, хотя и очень отдаленно, напоминают радиолампы: высокие напряжения, стеклянные баллоны и т. д. Но радиотехника почти везде (кроме мощных радиопередатчиков) стремится отказаться от радиоламп и перейти к полупроводникам. Не произошло ли что-нибудь подобное и в лазерной технике? Да, произошло! Был сконструирован полупроводниковый лазер. О нем я расскажу, но сначала несколько слов о хорошо известных вам устройствах, которые называются светоизлучающими диодами.

Светоизлучающие диоды

Свечение диодов в точке контакта при определенном токе через диод заметил еще в 20-х годах талантливый сотрудник Центральной радиолаборатории О. В. Лосев. Но технология изготовления практически пригодных светодиодов была разработана лишь в наши дни. Почему полупроводниковый p-n переход может светиться? Этот вопрос вызывает еще один, более общий: как вообще излучается свет? Излучают, как мы знаем, атомы, причем для этого их надо перевести в возбужденное состояние, соответствующее высоким энергетическим уровням. Если атомы возбуждать нагревом, то соответствующее излучение называется тепловым. Оно некогерентно. Даже нагретый гвоздь излучает в ИК области спектра. Нагревая гвоздь сильнее, мы видим, как он становится темно-красным, затем желто-соломенным. А нагретый до значительно большей температуры металл в доменной печи сияет белым или даже бело-голубым светом. Итак, с повышением температуры максимум теплового излучения смещается в сторону коротковолновой части спектра. Энергия теплового движения атомов и молекул пропорциональна температуре, и описанное явление как нельзя лучше согласуется с квантовой теорией, ведь энергия кванта обратно пропорциональна длине волны. Итак, чем больше температура, тем больше энергия квантов и тем короче длина волны излучения. Но тепловое излучение не имеет никакого отношения к светодиодам и полупроводниковым лазерам.