Инжекционная электролюминесценция в полупроводниковых р-n переходах

Наибольшей эффективностью обладают светодиоды на основе арсенида галлия. Из всех прямозонных п/п-ов GaAs является технологически наиболее освоенным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Глаз-диаграмма. Каков раскрыв глаз-диаграммы обеспечивает максимальную вероятность восстановления гауссово импульса.

 

Имеющуюся связь между чувствительностью к случайному изменению амплитуды (шуму) и чувствительностью к случайному изменению временного положения импульса (дрожанию) легче всего продемонстрировать с помощью "глаз-диаграммы". Чтобы наблюдать такую диаграмму на экране осциллографа, достаточно подать на вход вертикального отклонения сообщение, усиленное фотоприемником, а на вход внешней синхронизации горизонтальной развертки - синхроимпульсы. На рис. показан возможный вид “глаз-диаграммы” двухуровнего сигнала. 
 
По оси ординат отложено относительное напряжение сигнала на входе БПР (блока принятий решений). Таким образом, “0” или “1” на оси ординат соответствует максимальному уровню единицы и минимальному уровню нуля. Буквой d обозначен относительный раскрыв диаграммы, который показывает максимальное уменьшение размаха сигнала вследствие влияния межсимвольной интерференции (0<d<1). Минимальная вероятность ошибки будет достигнута, если отсчет произойдет в момент стробирования при максимальном сигнале. Порог БПР (напряжение выше порога – 1, ниже порога - 0) должен находиться в пределах зрачка d. Ширина зрачка “глаз-диаграммы” Т характеризует интервал времени, в пределах которого может произойти стробирование.

Максимальная вероятность восстановления гауссова импульса достигается при раскрыве глаз-диаграммы равном 1, т.е. в случае, когда уровень логических единицы и нуля равен максимально/минимально возможному.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Оптические модуляторы света.

 

Модуляция света – это изменение его параметров (фазы, амплитуды, поляризации, частоты и т.д.) в соответствии с изменением управляющего сигнала. Наибольшее распространение получили амплитудная и фазовая модуляция.

Все модулирующие устройства оптического диапазона распадаются на два больших класса: внешние и внутренние. Внешняя модуляция связана с модуляцией уже сформированного луча, покинувшего источник излучения. Внутренняя модуляция связана с изменением параметров лазера, т.е., по существу, управляет формированием процесса генерации. 
Для осуществления модуляции необходимо, чтобы управляющий сигнал воздействовал на свет. Отсюда следует, что работа внешнего оптического модулятора основывается на процессах взаимодействия света с веществом. Модуляторы подразделяются на:

• Электрооптические. Работа электрооптических модуляторов света основана на использовании электрооптического эффекта в веществах, сущность которого заключается в изменении показателя преломления вещества под действием электрического поля. Он проявляется в анизотропных средах, и средах которые становятся анизотропными под действием электрического поля.
• Полупроводниковые модуляторы. В них осуществляется управление коэффициентом пропускания за счет изменения концентрации носителей тока.
• Магнитооптические. Принцип действия основан на применение магнитооптического эффекта (изменение оптических свойств вещества под действием внешнего м. поля), а именно на эффекте Фарадея (вращение плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль направления м. поля).
• Акустооптические модуляторы. Модуляция излучения в них происходит за счет дифракции на неоднородном по величине показателе преломления объемной структуры, возникающем за счет действия акустической волны.

 

 

 

 

 

 

 

12. Белый шум. Определение.

 

Белый шум — стационарный шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот. 
В природе и технике «чисто» белый шум (то есть белый шум, имеющий одинаковую спектральную мощность на всех частотах) не встречается (ввиду того, что такой сигнал имел бы бесконечную мощность), однако под категорию белых шумов попадают любые шумы, спектральная плотность (характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала) которых одинакова (или слабо отличается) в рассматриваемом диапазоне частот. 
Под спектральной мощностью понимают значение среднего квадрата амплитуды шума на единицу полосы частот. 
Примером белого шума может служить тепловой шум (шум Джонсона), обусловленный тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на концах проводника возникает флуктуирующая разность потенциалов.

 

 

 

13. Перечислите основные способы возбуждения газовых лазеров

 

Основные процессы, создающие инверсию населенностей, в газоразрядных лазерах – неупругие столкновения 1 и 2 рода. 
1. Столкновения 1 рода: электроны передают свою кинетическую энергию невозбужденным частицам и переводят их в возбужденное состояние: 
  
Вероятность перехода частицы за счет соударения с е-ном с m-го на n-ый уровень в ед.времени при этом определяется следующим образом: 
, 
- время между 2-мя такими соударениями. 
Некоторое возбужденное состояние характеризуется также естественным временем жизни  . И для создания инверсии населенности между двумя энергетическими уровнями необходимо, чтобы время жизни атома на вышележащем энергетическом уровне было намного больше времени жизни на нижележащем уровне.

2. Столкновения 2 рода: Этот метод  накачки используется для смеси 2-х газов. Атомы одного газа - А  возбуждаются в разряде за  счет столкновений 1 рода:  . Возбужденное состояние   является метастабильным. При неупругих столкновениях возбужденного атома   с атомом другого газа - В, находящемся в основном состоянии, происходит эффективная резонансная передача энергии первого атома второму. В результате столкновения атом В переходит в возбужденное состояние (на уровень с энергией равной энергии атома А), а атом А возвращается в основное состояние:  . Для реализации этого метода концентрация атомов А первого газа должна быть больше концентрации атомов В второго газа.

 

14. Нарисуйте принципиальную схему уровней He-Ne лазера. Какова роль неона?

 

 
В He-Ne лазере вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передаче энергии атомами неона. При возбуждении газовой смеси электрическим током возникает тлеющий разряд. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня E1 на долгоживущие возбужденные уровни Е4 и Е5. Инверсия населенности создается благодаря большой населенности этих уровней по сравнению с короткоживущим Е3. В чистом виде созданию инверсии населенности мешает метастабильный уровень Е2, поэтому вводим He. Под действием электрического разряда часть атомов He ионизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией. Эти электроны, сталкиваясь с атомами He, переводят их с Е1 на Е2 и Е3, которые весьма близки к уровням Е4 и Е5 неона. Поэтому при столкновениях возбужденных атомов Не с невозбужденными атомами Ne, возникает высокая вероятность резонансной передачи возбуждения, в результате чего атомы Ne оказываются на уровнях Е4 или Е5, а атомы He возвращаются в основное состояние. Вероятность возбуждения атомов Ne до уровней Е2 и Е3 за счет столкновений с атомами He мала, т.к. энергия этих состояний существенно отличается от энергии уровней Е2 и Е3 He. Т. е. Наличие He - дает возможность дополнительно заселить уровни Ne и получить инверсию населенности между уровнями Е3 и Е4, Е5.Поскольку время жизни возбужденного атома на Е3 мало, на переходах Е4-Е3 и Е5-Е3 можно получить непрерывную генерацию. Переходу Е4-Е3 соответствует генерация и инфракрасной области, Е5-Е3 - в красной. Каждый из уровней Е3, Е4, Е5-в действительности состоит из нескольких подуровней, т.е. в видимом и ИК-спектре может находиться большое число (около 130) спектральных линий. Атомы гелия (рабочего газа) возбуждаются за счет столкновений 1 рода, а атомы неона (основного газа) – за счет столкновений 2 рода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15. Почему мощность СО2 лазера намного больше мощности Не-Ne лазера при соизмеримых объемах активной среды?

 

Основным недостатком гелий-неонового лазера является то, что возбуждение газовой смеси происходит на высоко расположенные электронные уровни, поэтому отношение энергии генерируемых квантов к энергии возбуждения является малой. Кроме того, не все электроны газового разряда имеют достаточную энергию для возбуждения верхнего рабочего уровня. Доля электронов, имеющих такую энергию, относительно мала, а основная часть энергии источника питания тратится электронами на возбуждение самых низких уровней. В результате суммарный коэффициент полезного действия составляет доли процента. 
В отличие от гелий-неонового лазера, в СО2 лазере в качестве рабочих уровней используются низко расположенные возбужденные колебательные уровни молекул. В результате отношение энергии излучаемого кванта к необходимой для возбуждения верхнего рабочего уровня оказывается во много раз больше, чем аналогичный показатель у гелий-неонового лазера.  
Также стоит отметить совпадение первого колебания молекулы N2, используемого для накачки с верхним лазерным уровнем молекулы СO2. Кроме того, колебательные уровни молекул азота являются эквидистантными. Практически любое возбужденное состояние молекулы N2 способно передать колебательный квант невозбужденной молекуле CO2. Таким образом, одна молекула N2, переведенная в самое верхнее колебательное состояние, может при столкновениях возбудить несколько молекул CO2. При этом за счет добавления гелия происходит эффективное опустошение нижнего уровня. 
Вдобавок к этому верхний лазерный уровень молекулы СO2, имеет большое время жизни. 
КПД СО2 лазера составляет порядка 30%.

 

16. Какие лазеры называют эксимерными, что представляет собой нижний лазерный уровень эксимерного лазера?

 

 Эксимер (первоначально сокращение для возбуждённый димер от англ. excited dimer) — это короткоживущая димерная молекула (сложная молекула, составленная из двух фрагментов более простых молекул, называемых мономерами данной молекулы), сформированная из двух видов атомов, по крайней мере один из которых находится в электронном возбуждённом состоянии. 
Эксимерные лазеры представляют собой молекулярный лазер на электронно – колебательных переходах между устойчивым возбужденным и химически неустойчивым основным состоянием некоторых молекул. Лазеры получили названия эксимерных, т.к. основу их среды составляют молекулы–димеры, существующие устойчиво только в возбужденном электронном состоянии и называющиеся эксимерами. Наличие эксимеров, автоматически создает инверсию населенностей. 
Кривые потенциальной энергии для такой молекулы приведены на рис. (R – межатомные расстояния), где E0 – для основного состояния, Е1 – одно из возбужденных состояний. Генерацию можно осуществить между верхним возбужденным Е1 и нижним неустойчивым Е0 состояниями. Причем, при переходе в основное состояние молекула очень быстро диссоциирует (распадается на составляющие атомы), таким образом, нижний лазерный уровень опустошается очень быстро. А также переход   сопровождается излучением в сравнительно широком диапазоне. 
Э.л. предоставили возможность получения больших мощностей излучения в УФ – области и возможности плавной перестройки спектра. Свойствами эксимеров обладают  .

17. Что является основным достоинством жидкостных лазеров на красителях? В каких спектральных диапазонах работают такие лазеры?

 

Активным веществом лазеров на красителях служат растворы молекул органических красителей в органических растворителях или в воде. Эти соединения обладают интенсивной окраской, что вызвано наличием сильных полос поглощения в видимой области спектра. Поэтому красители могут поглощать и излучать в ближних УФ, ИК и в видимой областях спектра. Достоинства:

• Возможность плавной перестройки длины волны излучения в диапазоне шириной в несколько десятков нанометров с высокой монохроматичностью.
• Работают в широком диапазоне длин волн от ближнего УФ до ближнего ИК излучений.
• Позволяют получать световые импульсы с длительностью менее пикосекунды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18. Что такое лазер на свободных электронах, каковы достоинства и недостатки такого типа лазеров?

 

Лазер на свободных электронах можно создать только с помощью ускорителей электронов, который необходимы, для того, чтобы разогнать их до скорости близкой к скорости света. Такой пучок электронов пропускают через ондулятор (устройство, создающее периодическое электрическое или магнитное поле). Например, проходя через магнитный ондулятор, электроны под действием силы Лоренца изменяют траекторию движения. Также под действием периодического поля ондулятора электроны осциллируют (испускают электромагнитное излучение). Т.к. электронные ускорители работают в импульсном режиме, то и лазеры на свободных электронах также работают в импульсном режиме, генерируя мощность сотен кВт. 
Достоинства: позволяют осуществлять перестраиваемую генерацию во всем оптическом диапазоне спектра, включая субмиллиметровую, ИК, видимую и УФ области при высоком его качестве и большой мощности. Недостатки: громоздкость и высокая стоимость.