- •§6.3. Газоразрядные источники
- •§6.4. Лазеры
- •§6.5. Светодиоды
- •Глава V. Приёмники излучения §7.1. Классификация приёмников излучения, интегральные приёмники излучения
- •§7.2. Характеристики фотоприёмников
- •§7.3. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
- •§7.4. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом
- •§ 8.2. Метод определения толщины эпитаксиальных слоёв по окрашиванию шлифа
- •Литература
Единая изометрическая кривая показана на рис. 6.2. Для того, чтобы прейти от единой изотермической кривой к кривым Планка необходимо:
определить из (6.4);
определить
для требуемых определить ;
по единой изометрической кривой найти ;
определить для каждого : .
В качестве источников излучения ИК диапазона применяются штифт Нернста и глобар.
Штифт Нернста представляет собой цилиндрический стержень, спрессованный из двуокиси циркония и окиси иттрия. Разогретый до 400С он становится проводником и в дальнейшем разогревается за счёт пропускания тока до температуры 1000 К. Штифт Нернста применяется в диапазоне 214 мкм и имеет время работы 2001000 ч.
Г лобар представляет собой цилиндрический стержень из карбида кремния. Под напряжением 80100 В глобар разогревается до температуры 750 К и имеет сравнительно равномерную зависимость в области спектра 214 мкм. Коэффициент черноты глобара равен 0.8.
Для ИК аппаратуры применяются также модели АЧТ изготавливающиеся в виде полостей различных форм, на внутренней поверхности которых укладываются обмотки для электроподогрева.
Широкое распространение получили лампы накаливания. Источником излучения в электрической лампе накаливания является раскалённая вольфрамовая нить. Лампы накаливания имеют широкий спектральный диапазон 0.32 мкм и непрерывный характер свечения.
Максимум излучения вакуумной лампы накаливания при температуре вольфрамовой нити 2500 К находится в области 1,15 мкм, а у газонаполненных ламп при температуре нити 2900 К – 1.0 мкм. У ламп накаливания на видимую часть спектра приходится 712% лучистой энергии, а большая часть излучения приходится на ИК диапазон.
Для увеличения светоотдачи и срока службы колбы ламп накаливания заполняют газообразными соединениями галогенов. Присутствие галогена уменьшает скорость испарения вольфрама, что позволяет увеличить температуру нити накала. В качестве наполнителей используются пары йода и соединения брома.
Естественным источником излучения является Солнце. Спектр излучения Солнца за пределами земной атмосферы примерно совпадает со спектром излучения чёрного тела, имеющего температуру 6000 К. До поверхности Земли от Солнца через атмосферу доходит излучение с длинами волн от 0.3 до 3 мкм. В приземном слое атмосферы Солнце эквивалентно чёрному телу с температурой 5600 К.
§6.3. Газоразрядные источники
В этих источниках используется излучение газов или паров металлов, возникающее под действием электрического разряда. Достоинством этих источников является большая световая отдача, т.к. подбором газа и условий разряда можно сосредоточить наиболее мощные линии излучения в видимом диапазоне, а также возможность получения больших значений силы света. Недостатками газоразрядных ламп являются сложность включения, небольшой срок службы, большие по сравнению с лампами накаливания габариты.
По временному характеру излучения газоразрядные лампы подразделяются на лампы непрерывного свечения и импульсные лампы, сила света в которых достигает 108 кд.
К лампам непрерывного действия относятся ртутные лампы (ДРШ), циркониевые, цезиевые, дейтериевые лампы низкого давления и неоновые лампы тлеющего разряда.
Ртутные лампы имеют спектральную характеристику излучения сдвинутую в ультрафиолетовую часть спектра. Так как в ртутных лампах реализуется разряд на парах металла, то спектр ламп имеет линейчатый характер. Излучение ртутных ламп лежит в пределах 0.10.4 мкм.
Близки по характеристикам к ртутным лампам дейтериевые лампы низкого давления, также имеющие линейчатый спектр сдвинутый в УФ область. Цезиевые лампы с тлеющим разрядом имеют максимум излучения в области 0.80.9 мкм.
В качестве сигнальных индикаторных ламп широко используются малогабаритные неоновые лампы тлеющего разряда, которые потребляют малую мощность и создают небольшие световые потоки.
Импульсные газоразрядные лампы могут служить для создания редких, но мощных импульсов или для получения частых, но слабых вспышек. Длительность вспышки импульсных ламп мала(10-610-4сек), поэтому несмотря на огромную силу света в импульсе до десятков миллионов кандел энергия излучаемая в единицу времени невелика. Импульсные лампы имеют сложный спектральный состав излучения и отличаются стабильностью во времени фотометрических параметров излучения.
§6.4. Лазеры
Наиболее перспективными источниками излучения фотометрических систем контроля являются оптические квантовые генераторы – лазеры. Лазеры имеют высокие монохроматичность и когерентность излучения, малый диаметр и незначительную расходимость луча. Рабочий диапазон существующих лазеров изменяется от УФ излучения( =0.3 мкм) до ИК излучения( 300 мкм).
Л азер состоит из рабочего вещества помещённого в оптический резонатор и источника накачки. Часто в состав лазера входит охлаждающее устройство, отводящее тепло от рабочего тела. Получение лазерного излучения основано на квантовых переходах электронов в рабочем теле, например в кристалле рубина. Под действием излучения накачки электроны с уровня переходят на уровни , , время пребывания на которых мало (10-8 с). Поэтому очень быстро совершается безизлучательный переход на уровень , где электрон задерживается на более длительное время(10-3 с). Это позволяет создать на уровнях более высокую концентрацию электронов, т.е. создать инверсную заселённость. Излучение квантов света определённой длины волны происходит при переходе электронов с уровня на уровень .
Оптический резонатор представляет собой два зеркала установленных на определённом расстоянии кратном половине длины волны излучения параллельно друг другу. Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. Резонатор реализует многократное прохождение излучения в рабочем теле, за счёт чего происходит увеличение мощности излучения.
В газовых ОКГ в качестве активного вещества используют смесь инертных газов, двуокиси углерода и др. В качестве возбуждающего фактора используют как правило электрический разряд. Газовые лазеры используют в основном непрерывный режим работы, однако некоторые типы имеют импульсный режим работы. Газовые лазеры имеют высокую монохроматичность и стабильность частоты излучения. Однако мощность их излучения невелика – менее 1 Вт. Отечественные гелий – неоновые газовые лазеры ЛГ – 102, ЛГ –77, имеют =0.63 мкм, мощность – несколько мВт.
В твердотельных лазерах в качестве рабочего тела используют материалы, легированные соответствующими примесями, например рубин ( =0.69 мкм), алюмоиттриевый гранат с примесью неодима ( =1.06 мкм). Источники накачки представляют собой газоразрядные спиральные или стержневые импульсные лампы с рефлекторами. Основным режимом работы твердотельных лазеров является импульсный режим. По сравнению с газовыми лазерами для твердотельных ОКГ характерны большая мощность в импульсе, меньшая когерентность излучения, большие габариты и масса. Общими недостатками газовых и твердотельных ОКГ являются низкий КПД(1%), малый срок службы, сложность блока питания. Мощность ОКГ на твёрдом теле может достигать в непрерывном режиме 1 кВт. Отечественные твердотельные лазеры ОКГ–15, =10 мкм, мощность W=10 Вт, рубиновый ОГМ–20, =0.69 мкм, W=1.5 кВт в импульсе , неодимовый ГСИ–1, =1.06 мкм, мощность W=3 кВт в импульсе .
В полупроводниковых лазерах излучение генерируется в результате рекомбинации электронов и дырок при прохождении тока через прямосмещённый p –n переход. Лазеры на основе GaAs излучают на длины волн 0,84 мкм при Т=93 К и 0.92 мкм при Т=300 К. Когерентным излучение является при плотности тока выше пороговой (103104 А/см2). При меньших токах возбуждения излучение становится спонтанным и ширина линий спектра излучения увеличивается. В этом случае источник работает в светодиодном режиме. В последнее время созданы эффективные инжекционные лазеры на гетеропереходах.