- •1.Что такое оптоэлектроника ?
- •2.Что такое Квантовая электроника?
- •3.Что такое Оптическое излучение?
- •4. Оптический диапазон электромагнитных волн? Внутри оптический диапазон длин волн:видимое, инфракрасное, ультрафиолетовое излучение ?
- •5.Каким образом эм волны располагаются в порядке уменьшения длины волны?
- •6) Что такое квантовый усилитель? Что такое квантовый генератор?
- •7)Что такое лазер? Что такое мазер?
- •8) Вынужденное излучение? Вынужденное испускание?
- •9) Что такое когерентность, почему электромагнитная волна называется когерентной?
- •10) Что называется длиной волны? Что называется фотопроводимостью?
- •2 Группа вопросов
- •1. Особенности оптической электроники
- •2. Функция видности и ее зависимость от длины электромагнитной волны
- •3. Телесный угол, световой поток и механический эквивалент света
- •4. Сила света. Освещенность поверхности
- •5. Закон освещенности. Светимость излучающей поверхности
- •6.Яркость светящейся поверхности. Закон Ламберта. Световая экспозиция.
- •7.Когерентность оптического излучения.
- •8.Особенности излучения электромагнитных волн в ультрафиолетовом (уф), видимом и инфракрасном (ик) диапазонах.
- •9.Энергетические уровни и квантовые переходы. Спонтанные переходы. Вынужденные переходы.
- •10.Механизм генерации излучения в полупроводниках.
- •11.Прямозонные и непрямозонные полупроводники.
- •12.Поглощение сета в твердых телах.
- •13.Абсолютный показатель преломления.
- •14.Законы отражения и преломления света.
- •15.Условие полного внутреннего отражения света от границы раздела двух сред.
- •16.Эффект Гуса-Хенхена. Конструкция оптического волновода.
- •17.Основные характеристики и параметры светодиодов.
- •18.Характеристики, параметры и модели фотоприемников
- •19.Коэффициент отражения света, коэффициент поглощения и пропускания света.
- •20.Устройство и принцип действия оптронов. Структурная схема оптронов.
- •Рис 1. Обобщенная структурная схема оптрона
- •21.Физические основы усиления и генерации лазерного излучения
- •Активная среда
- •Система накачки
- •Оптический резонатор
2 Группа вопросов
1. Особенности оптической электроники
Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники определяются рядом принципиальных обстоятельств:
Частота электромагнитных колебаний (несущая частота ν0) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~1015...1013 Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио - и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот Δν≈ 5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при λ=1м ν0=300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при том же отношении Δν/ν0 это число возрастает в миллионы раз;
Длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины волны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной аппаратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при λ=1м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способно выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны;
Передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим, и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять «оптический монтаж» исходя лишь из требуемых функциональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой.
применение оптических методов записи, хранения и обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (например, на основе голографических методов), а с другой — возможностью достижения высокой плотности записи информации (~108 бит/см2) в оптических запоминающих устройствах.
На сегодняшний день использована лишь небольшая часть перечисленных преимуществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо прежде всего понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они служат фундаментом всей квантовой и оптической электроники.
Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма), переработки (преобразования), запоминания и хранения информации на основе использования двойных (электрических и оптических) методов и средств.
Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.
Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлектронных приборов и устройств или такая их структура (в случае использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализацию с применением методов современной интегральной техники вмикроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники, среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая электроника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.
Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим обуславливаются их основные достоинства:
1. Высокая информационная ёмкость оптического канала.
2. Острая направленность излучения.
3. Возможность двойной модуляции светового луча - не только временной, но и пространственной.
4. Бесконтактность, "электропассивность" фотонных связей.
5. Возможность простого оперирования со зрительно воспринимемыми образами.
Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными приборами очень широкие возможности применения в качестве элементов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем самым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры. Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводительных вычислительных комплексов, запоминающих устройств гигантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телевидения и инфравидения.
Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным(светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использованием когерентного или некогерентного света обычно резко отличаются друг от друга по важнейшим характеристикам.
Всё это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Естественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.