Fizika | Fénytan, Optika » Fényforrások

Fényforrások Fény (foton) kibocsátás: elektromos töltések sebességváltozása révén. Termikus (fekete) sugárzó: magas hőmérséklet foton emisszió Elektromos kisülés: E hatására gáztérben ütközési ionizáció Félvezető fényforrás: injekciós elektrolumineszcencia Lézer (koherens): indukált emisszió + koherens erősítés Termikus fényforrás: L (λ ) • Abszolút fekete test: Stefan-Boltzmann-tv. M tot [Wm −2 ] = σ T 4 Wien-tv. λmaxT = 2898 [µm K ] Planck-tv. L (λ ) = 2 c2h λ5 (e hc/λ k T − 1) B 1 • Izzólámpa (W-halogén lámpa): szürkesugárzó (IR-tartalom kisebb) kvarc búra; 2700-3200 (3600) K színhőmérséklet (élettartam fordítottan arányos); 3, 5 Pki ~ U be Kisülési (spektrál-) lámpa: alapgáz + adalékolás + 2 elektróda (W) Működés: I katódból termikus elektronemisszió, U (E) ütközési ionizáció (plazma), másodlagos emisszió: katódba becsapódó ⊕ ionok. • Alacsony nyomású:

rekombináció valószínűsége kicsi parázs (glimm-) kisülés (állandó U és J, kis T) neon (hélium) töltés: hideg elektródás piros (narancs) kisülés fluoreszcens lámpa: kisülés + fluoreszkáló réteg (P) üvegen (UV gátlás) • Magas nyomású: nyomás – gyártástól nagy vagy működés közben nő nagy E másodlagos termikus emisszió (T nő) ívkisülés rövid (kompakt) ívlámpa: 1-15 mm elektródaköz (Hg, Xe) fém-halid lámpa: 5-14 mm, 5600 K, kis kibocsátott hő (pl. vetítő) hosszú ívlámpa: (Kr, Xe) UV-IR, 2-5 kW teljesítmény (pl. pumpálás) 2 • Spektrállámpa: + keskeny sávszűrő (interferenciaszűrő) spektroszkópia, fluoreszcens mikroszkópia, orvosi, kémiai analízis nagynyomású Hg-ívlámpa: 3 Félvezető fényforrás: nyitóirányban előfeszített p-n átmenet elektron–lyuk pár generálás nagy számú spontán rekombináció (indukált elektrolumineszcencia). light emitting diode (LED): V >Vth

semiconductor optical amplifier (SOA): foton-indukált emisszió semiconductor injection laser SOA+visszacsatolás V 4 • LED: töltéshordozó-injekció hatására kialakuló foton fluxus (dN p /d t ) : Φ p = ηi wA (∆n / τ ) = wA (∆n / τ r ) = ηi iinj /e belső kvantumhatásfok térfogat (η i = τ / τ r ) rekombinációs ráta (sugárzó) Spektrális (foton)sűrűség [s–1Hz–1m–3]: ∆ν FWHM ≈ 1,8 k B T h Energia diagram: spontán emisszió pumpált félvezető T=0K T>0K 5 LED paraméterek: Kimenő fluxus: Φo = η eΦ p = η eηi iinj /e = η ex iinj /e transzmissziós és külső hatásfok Kimenő teljesítmény: Po = hν Φo Meredekség: ℜ = Po / iinj = ηex (1,24 / λo [µm ]) Spektrális eloszlás: ℜ Reakcióidő (response time) ~ τr ≈ 1-50 ns Eszköz kialakítások: felületi v. élsugárzó 6 • SOA: töltéshordozó-injekció hatására kialakuló inverz populáció foton-indukált emisszió. Előnyök: integrálható,

kis méret, kis reakcióidő (~10 THz sávszélesség). Hátrányok: nagy becsatolási veszteség (3-5 dB/oldal), T instabilitás, polarizáció-érzékeny. SOA paraméterek: Erősítés: foton–töltéshordozó kölcsönhatás, ha hν > E g abszorpció elektron–lyuk pár generálás indukált rekombináció több foton koherens optikai erősítés. 7 SOA pumpálás: optikai pumpálás (hν > E g ) állandósult inverz populáció, ha sávbeli relaxációs idő<<sávközi relaxációs idő. pumpálás árammal: nyitóirányú előfeszítés. Erősítés: G = exp(γ p d ) G > 1, ha γ p > 0 csúcserősítési együttható:  ∆n JT =   J  el ηiτ r ∆nT γ p ≈ α  − 1 = α  − 1 átlátszósági  ∆nT   JT  áramsűrűség pl. InGaAs SOA: T=300 K, τr=2,5 ns, ηi=0,5 l=2 µm, d=200 µm, ∆nT=1,25 1018 cm–3 JT=3,2 104 A/cm2, iT=JT A=640 mA. Ha J =3,5 104 A/cm2 G≈3. 8 J csökken,

ha l csökken. Probléma: kis l-ből a töltéshordozók kidiffundálnak Megoldás: JT csökkentése heterostruktúrás félvezetővel: pl. p-p-n kettős heteroátmenet: Eg2 < Eg1 = Eg3 Egyensúlyban az Ef Fermi-szintek kiegyenlítődnek a vezetési sáv élesen csökken a p-p határon, a vegyérték sáv élesen csökken a p-n határon. Nyitóirányú előfeszítés n felől injektált kisebbségi elektronok nem jutnak át a p-p potenciálgáton, p felől injektált kisebbségi lyukak nem jutnak át a p-n potenciálgáton közös tartományban maradnak rekombinációs centrum, (τr csökken a középső tartományban) 9 • Félvezető lézer: töltéshordozó-injekció inverz populáció foton-indukált, erősített emisszió + visszacsatolás lézer oszcilláció. Lézerdióda paraméterek: Erősítés: γ p ≈ α ( J / J T − 1) 2 1 1 n −1 Visszacsatolás: R =   , α m = ln d R  n +1 nGaAs=3,6 R=0,32 Rezonátor veszteség: reflexiós (αm),

töltéshord. abszorpció/szóródás (αs), töltéshord.+fotonok átmeneti tartományban tartása (confinement, Γ) 1 α r = (α s + α m ) Γ széles-tartományú, erősítésvezetett, törésmutató-vezetett típus: homoátmenet heteroátmenet 10 αr + α JT α Kimenő fluxus: Φo = ηeΦ p = ηeηi (i − ith ) /e Küszöbáram: J th = emissziós hatásfok Kimenő teljesítmény: Po = hν Φo Differenciális meredekség: ℜ= d Po 1,24 1,24 = ηeηi = ηd λo [µm ] λo [µm ] di differenciális kvantumhatásfok ℜ 11 Fotodetektorok Fotodetektor: fotonszámot (fluxust) v. optikai teljesítményt mér az elnyelt fotonok energiájának konverziójával. (Foto)termikus det. foton hő (lassú, kis hatásfok) Fotokémiai det. foton kémiai reakció (film) Fotoelektromos det. foton mobil töltéshordozó E hatására áram Fotoeffektus: külső – fotoelektron emisszió, belső – fotovezetés fém félvezető 12 Fotoelektron emisszió: fotokatód,

fotoelektron cső, fotosokszorozó (másodlagos emisszió), mikrocsatornás lemez (MCP), képerősítő (MCP + elektrolumineszcens foszfor réteg) 13 Fotokonduktivitás: Foton abszorpció elektron–lyuk pár generálás E hatására transzport. Nagy E ütközési ionizáció belső erősítés (lavina fotodióda – APD). Félvezető fotodetektorok tulajdonságai: • Kvantumhatásfok: η = (1 − R ) ζ [1 − exp(−αd )], 0 < η < 1 felületi reflexió nem rekombinálódó töltéshord. párok aránya behatolási mélység abszorpciós tényező η = f (λ ), λmax = h c/ E g • Meredekség: i p = η qΦ p = η G e Φ p = λ [µm ]   P =  Gη 0  P = ℜP hf 1,24   ηGe (responsivity) fotoáram foton fluxus erősítés optikai teljesítmény 14 • Reakcióidő (response time) – áthaladási idő szóródás q i (t ) = − v(t ) w i (t )V d t = − qE d x   E = V /w, v(t ) = d x /d t Elektron–lyuk pár generálás

x-ben: N számú, 0<x<w között egyenletesen eloszló foton által generált elektron–lyuk párok szállította áram és áthaladási idő szóródás: ve = µ e E , v h = µ h E q=e vh x v w− x +e e =e w vh w ve τe τh 15 Detektor típusok: • Fotokonduktor: ip vagy up= ip RL érzékelés. Állandósult állapot: rekombináció = generáció ∆n / τ = η Φ p /( wA) fotoelektron koncentráció rekombinációs élettartam térfogat eητ ( µ e + µ h )  Φp  τ wA  i p ≈ eη Φ p = eη GΦ p τe J p = ∆σ E , µ h << µ e , τ e = w/ve ≈ 10 −8 s  ∆σ = e ∆n( µ e + µ h ) = 16 • Fotodióda: gyorsabb, mint a fotovezető, de erősítés nélkül. p-n fotodióda (InGaAs, InGaAsP; η ≈0,6-0,8) Az érzékelési tartomány értelmezése: általános i-V karakterisztika: 17 p-n fotodióda üzemmódok: szakadás (fotovoltaikus): rövidre zárt: záróirányú (fotokonduktív): 18 p-i-n fotodióda – intrinsic

réteg a kiürített tartomány növelésére: fényérzékeny tartomány nő, átmeneti kapacitás csökken (de áthaladási idő nő), drift hossz nő (gyorsabb transzport) a diffúziós hossz rovására. Leggyakoribb anyag: Si (λamx≈1,1 µm, η ≈1) 19 • Mátrix detektorok: charge coupled device (CCD) töltések kiléptetése többfázisú órajellel (“vödörlánc”) integrálási idő pixelméret/-szám dinamika-tartomány (lineáris válasz) i p2 jel/zaj viszony: SNR ≡ 2 σ (i p ) min. detektálható jel: SNR=1 anti-blooming full-frame CTE (charge transfer effifiency) 20 • Tipikus CCD vonaldetektor és órajelei: korrelált kettős mintavétel MCLK φ1 φ2 5T φAB 5T T φTG 5T φPG 25T 5T 23T φRG Vout D20 I1 I2 I3 D1 D2 D3 CDS1 CDS2 21 • Lavina fotodióda (APD): nagy záróirányú előfeszítés nagy E a kiürített tartományban foton hatására gyorsuló töltéshordozók ütközési ionizáció révén még több

töltéshordozót szabadítanak fel. A ⊕ visszacsatolás problémái: időigényes folyamat, statisztikus zaj nő, instabil lavinaletörés; megoldás: csak egyféle töltéshordozóval üzemeltetni. többrétegű APD 22