Главная страница
Навигация по странице:

  • 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

  • Ответы оптоэлектроника. 1 блок Что такое оптоэлектроника Оптоэлектроника


    Скачать 1.97 Mb.
    Название1 блок Что такое оптоэлектроника Оптоэлектроника
    АнкорОтветы оптоэлектроника.docx
    Дата16.03.2019
    Размер1.97 Mb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаОтветы оптоэлектроника.docx
    ТипДокументы
    #28241
    страница5 из 11
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

    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.

    2. Функция видности и ее зависимость от длины электромагнитной волны

    Опыт показывает, что глаза большинства людей, не страдающих дефектами зрения, обладают максимальной чувствительностью к оптическому излучению с длиной волны λ=555 нм (зеленый свет).

    Интенсивность нервного раздражения, возникающего в нервных окончаниях сетчатки глазапод воздействием света, принято характеризовать функцией видности F(λ). При λ=555 нм F=Fmax. При λ=400 нм, λ=760 нм F=Fmin, как видно на рис. 2.1.

    Аналитический вид функцииF(λ) достаточно сложен. Поэтому для практических целей достаточно воспользоваться относительной функцией видности





    Функция V(λ) безразмерна и позволяет установить взаимосвязьмежду энергетическими и фотометрическими параметрами оптического излучения.

    На рис. 2.1 показана экспериментальная зависимость V(λ) длясреднего (бездефектного) человеческого глаза.

    3. Телесный угол, световой поток и механический эквивалент света

    Рассмотрим точечный источник света i, испускающий свет равномерно по всему трехмерному пространству. Выберем в указанном пространстве световой конус с углом α, в вершине которогонаходится источник света i.

    Пересечем световой конус сферической поверхностью S радиусом R. Как видно из рис. 2.2, конус «вырезает» на сферической поверхности площадку площадью ∆SС.

    Рассмотренный световой конус принято характеризовать телесным углом ∆Ω, который определяется как



    и измеряется в стерадианах.

    Очевидно, что телесному углу ∆Ω=1 ср соответствует условие∆SС=R2. Полному телесному углу, при котором точечный источник i излучает свет в сферу радиусом R, соответствует величина∆Sn=4πR2. Полный телесный угол определяется по формуле



    Пусть монохроматическое излучение длиной волны λ=555 нмпереносит через площадку ∆S (в соответствии с рис. 2.2) за однусекунду энергию 0,0016 Дж. Полагают, что в данном случае внутри телесного угла ∆Ω распространяется световой поток ∆Φ, равный 1 лм.

    Указанное соотношение является международным стандартом для одного люмена.

    Таким образом, при λ=555 нм 0,0016 Дж/С = 0,0016 Вт 1 лм. (2.4)



    Пропорциональность (2.4) является не только определениемлюмена, но и единственным связующим звеном между фотометрическими и энергетическими характеристиками оптическогоизлучения.

    Величину АЭ = 0,0016 Вт/лм принято называть механическимэквивалентом света. При ∆Φ=1 лм и λ=555 нм



    Относительная функция видности позволяет рассчитать необходимую мощность излучения Рλ, соответствующую световому потоку в 1 лм, для любойдлины волны из диапазона400...760 нм:



    Например, световому потоку в 1 лм при длине волны λ=633 нм соответствует V(λ) = 0,25.

    Согласно формуле (2.6), для обеспечения такого светового потока необходима мощность



    Пусть гелий-неоновый лазер обладает мощностью излученияРλ = 5*10–3 Вт. Очевидно, что световой поток, соответствующийему, определится из следующих зависимостей: 6,4*10–3 Вт 1 лм,5*10–3 Вт Φ лм, которым соответствует пропорция



    откуда Φ = 0,78 лм.

    4. Сила света. Освещенность поверхности

    Пусть внутри телесного угла ∆Ω распространяется световойпоток ∆Φ (в соответствии с рис. 2.2).

    Величина



    есть сила света источника.

    Согласно формуле (2.7) сила света имеет простой физическийсмысл: это величина, численно равная световому потоку, распространяющемуся в телесном угле ∆Ω = 1 ср. Единицей силы светаявляется одна кандела (кд). Несмотря на то что сила света IVвведена нами в фотометрические характеристики через поток ∆Φпо соображениям исторического характера, она является в настоящее время основным фотометрическим параметром системы СИ.

    Согласно международному стандарту одна кандела равна силе света в заданном направлении, излучаемого монохроматическимисточником с частотой 5,4*1014 Гц, излучение которого в указанном направлении составляет (1 /683) Вт/ср.

    Согласно формуле (2.7) 1 кд = 1 лм/1 ср.



    Освещенность поверхности определяется как



    где ∆Φ — световой поток, падающий на поверхность площади ∆S.Определение освещенности изображено на рис. 2.3.

    Если ∆Φ = 1 лм, ∆S = 1 м2, тоосвещенность Е = 1 люкс (лк), т. е.1 лк = 1 лм/1 м2.

    5. Закон освещенности. Светимость излучающей поверхности

    Элементарные преобразования позволяют установить взаимосвязь освещенности поверхности Е, расстояния R и угла падениясвета φ на поверхность в соответствии с рис. 2.3 как



    Формула (2.9) носит название закона освещенности.

    До сих пор мы рассматривали точечные источники света. Всякий реальный источник имеет конечные размеры. Пусть светящаяся площадка площадью ∆S излучает свет в полусферу, которой соответствует телесный угол ∆Ω = 2πср, как изображено нарис. 2.4. Обозначим ∆ΦПС световой поток, излучаемый площадью∆S в полусферу.

    Величина (лм/м2) есть светимость излучающей поверхности ∆S.



    Согласно (2.9) и рис. 2.4 светимость М численно равна световому потоку, излучаемому с единицы площади светящейся поверхности в телесный угол 2πср.
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

  • написать администратору сайта