книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы

2.4 ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 111

0,88-г0,97, снега и воды — 0,85 и 0,96 соответственно. Пена бурунов излучает подобно черному телу.

Следует также различать рассеянное атмосферой солнечное излучение (при длинах волн менее 3,5 мкм) и собственное тепловое излучение атмосферы, обусловленное наличием в ней водяного пара, углекислого газа и озона. На рис. 2.4.3 представлены экспериментальные кривые спектральной энергетиче­ ской яркости ясного ночного неба, полученные на уровне моря в инфракрасной

нако в полосах поглощения водяных паров вблизи 6,3 мкм и углекислого газа (15 мкм) поглощение столь велико, что даже при наблюдении в зенит коэффи­ циент излучения равен 1. Излучение при 9,3 мкм обязано своим существова­ нием полосе поглощения озона.

Кривые спектральной лучистости полностью закрытого облаками неба в ин­ фракрасной области при длинах волн свыше 3,5 мкм такие же, как у абсолютно черного тела при окружающей температуре. Нижний край сплошной облачно­ сти обычно расположен на небольшой высоте (от 100 м до 1 км) и температура облаков близка к температуре земной поверхности.

Как уже упоминалось, инфракрасное излучение Земли сильно поглощается атмосферой и только в спектральном окне прозрачности при углах возвышения более 10° в безоблачную погоду беспрепятственно уходит в мировое простран­ ство.

Свечение ночного неба на всех широтах в спектральном диапазоне от 1 до 2,3 мкм с максимальной интенсивностью по разным источникам от 0,01 до 0,06 мкВт/(см2-ср-мкм) имеет два максимума вблизи 1,6 и 2,15 мкм (послед­ ний раза в два меньше — рис. 2.4.4,) и нетепловую природу. Измерение высот ночного свечения дали результаты, соответствующие распределению озона. По-

112 ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Гл. 2

видимому, свечение вызвано переходами между колебательными состояниями радикалов ОНТочный механизм возбуждения еще не ясен, однако предпола­ гается, что происходит освобождение энергии Солнца, накопленной в течение дня.

При длинах волн более 10 мкм заметными источниками инфракрасного излучения становятся также космические туманности, астероиды, пылевые образования и другие галактические и

0,99). Интересно отметить, что он не зависит от цвета кожи. Температура же кожного покрова зависит от теплообмена между кожей и окружающей средой. На сильном холоде она может упасть до 0°С, а при 21 °С температура кожи лица и рук человека близка к 32 °С.

Необходимо отметить, что при формировании изображений в видимом и ин­ фракрасном диапазонах (помимо разницы коэффициентов отражения объектов в этих областях спектра) имеется и принципиальное отличие. Если в види­ мом диапазоне изображение формируется, как правило, за счет отраженного объектом излучения внешних источников, то в инфракрасном диапазоне внеш­ нее излучение составляет только некоторую долю у от собственного излучения объекта. Обычно, внешнее инфракрасное излучение называют противоизлуче­ нием.

Предположим, что фон характеризуется коэффициентом отражения R и

чение в инфракрасном диапазоне составляет некоторую долю у (0 ^ у ^ 1) от равновесного теплового излучения аТ4.

Тогда в отраженном видимом излучении контраст в изображении объекта (отношение приращения плотности потока излучения от объекта к плотности фонового потока) не зависит от освещенности и составляет, очевидно, величину С = A R /R . Легко убедиться, что соответствующий контраст в инфракрасном изображении, вычисленный с учетом разницы температур объекта и фона, ра­

вен

с _ 4 ^ ( 1 - Д ) - А Д ( 1 - 7) 1 - Д Ц - 7 )

Если тепловой контраст близок к 4А Т /Т и слабо зависит от величины -у, то контраст, обусловленный разницей в коэффициентах отражения объекта и фо­ на, в термодинамически равновесных условиях при 7 -4-1 попросту пропадает: объект невидим.

Вероятно поэтому изображения, полученные в инфракрасном диапазоне, называют тепловыми или тепловизионными. Однако из приведенного соотно­ шения следует, что тепловизионный контраст может исчезнуть и при взаимной компенсации приращений ДГ и AR.

2.5. Технические источники оптического излучения

Для освещения, обогрева, передачи сообщений и других целей на всех этапах развития человеческого общества с использованием доступных тех­ нических возможностей изготавливались различные источники оптического излучения. Наиболее распространены сейчас электрические лампы накали­ вания, газоразрядные лампы и полупроводниковые светодиоды, миллиарды которых ежегодно выпускаются промышленностью.

2.5.1. Лампы накаливания. Простейшая лампа накаливания представляет собой вакуумную стеклянную колбу, в которую помещена спираль или лента из тугоплавкого металла (чаще всего вольфрама с температурой плавления 3650 °С

ималой скоростью испарения при высоких температурах). Спираль накаливает­ ся протекающим через нее электрическим током до температур 24004-3300 К

иизлучает как серое тело. Часто колбы заполняют инертным газом (аргон, криптон, ксенон) с добавкой азота при невысоком давлении. Газ препятствует распылению вольфрамовой спирали и ее температуру и, следовательно, яркость удается увеличить. В галогенных лампах накаливания, заполненных ксеноном с добавлением йода или летучих соединений брома и армированных нагревае­ мой до 500 К кварцевой трубкой, обеспечивается обратный перенос испаряемого вольфрама и срок службы ламп при высоких цветовых температурах увеличи­ вается.

Световой выход ламп накаливания невелик и близок к 10% (светоотдача от

8 до 30 лм/Вт). Габаритная яркость — от единиц 106 кд/м2 до 3 107 кд/м2 (для кинопроекционных ламп). Стекло колбы не пропускает излучение с длиной волны более 2,5 мкм и нагревается при работе лампы до 100ч-150°С. При пи­ тании ламп переменным током с частотой 50-60 Гц фотоприемные устройства обнаруживают модуляцию излучения на двойной частоте питания, хотя из-за тепловой инерционности нити накала стробоскопический эффект для глаза не заметен. Срок службы ламп накаливания 1ч-2 тыс. часов.

В качестве рабочих эталонов при светотехнических измерениях в аппарату­ ре для видимой и средней инфракрасных областей спектра используют лампы накаливания, откалиброванные на цветовую температуру 2896 К (стандартный источник А с Атах и 1 мкм). Иногда такие эталоны изготавливаются с кварце­ вой колбой, пропускающей излучение в спектральном диапазоне 0,24-4,0 мкм,

114 ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Гл. 2

или с окном, прозрачным и для ультрафиолетового и инфракрасного излучений (слюда, кварц, сапфир).

Существует огромная номенклатура ламп накаливания: осветительные, транспортные, прожекторные, кинопроекционные, маячные, рудничные, в том числе зеркальные и лампы-фары. Мировой выпуск — более двух миллиардов в год.

2.5.2. Газоразрядные (плазменные) лампы. Пожалуй, не меньшее рас­ пространение получили газоразрядные источники света, использующие излу­ чение газов или паров металлов (имеющих высокую упругость паров — ртути, натрия, кадмия и др.), возникающее под действием проходящего через них электрического тока. Эти источники создают излучение преимущественно с линейчатым спектром, характерным для каждого газа или пара, в котором происходит разряд, и обладают лучшей световой отдачей, чем тепловые из­ лучатели. С повышением мощности в их спектре появляется сплошной фон, обусловленный тормозным и рекомбинационным излучением и при насыщении сравнивающийся с излучением абсолютно черного тела при температуре плаз­ мы.

Газоразрядные источники света низкого давления (~ 0,2 атм) в зависимости от плотности тока на катоде работают в режиме тлеющего (ток менее 1 А) или дугового разряда. Используется свечение положительного столба разряда, лампы имеют форму длинных трубок с холодными электродами.

100 А/см2), при этом свечение стягивается к оси разрядной трубки. Темпе­ ратура плазмы растет до 6000 К и более, достигается высокая светоотдача и яркость. В конструкциях ламп используются активируемые и самонакаливаемые катоды, состоящие в ряде случаев из двух частей (зажигающей и рабочей).

Общие недостатки газоразрядных источников света:

необходимость использования балластных сопротивлений при падающей вольт-амперной характеристике (для тяжелых инертных газов этого не тре­ буется);

нормальный режим горения в парах металла достигается только через неко­ торое время, необходимое для разогрева ламп и испарения находящегося в них металла;

наблюдается стробоскопический эффект на удвоенной частоте сети пере­ менного тока;

для зажигания разряда обычно требуется более высокое напряжение, чем для его устойчивого горения.

Особенно распространены ртутные люминесцентные лампы низкого давле­ ния с дуговым или тлеющим разрядом, в которых ультрафиолетовое излучение ртути (резонансные линии 253,7 и 184,9 нм) с помощью люминофоров преобра­

2.5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 115

зуется в излучение со спектром, близким к белому (Гцв = 3500 К) или дневному (ГцВ= 6500 К) свету.

Осветительные люминесцентные лампы представляют собой цилиндриче­ скую стеклянную трубку. Внутренняя поверхность ее равномерно покрыта тон­ ким слоем люминофора, в качестве которого используют, например, галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем, или фосфат ванадат иттрия, активированный европием. В оба конца трубки впаяны ножки с электродами. Световая отдача люминесцентных ламп 404-90 лм/Вт, срок службы 34-7 тыс. часов.

Для эритемных ламп в качестве люминофора используют фосфат кальция и цинка, активированные галлием. При этом излучение происходит в спектраль­ ном диапазоне 2804-400 нм. В бактерицидных ртутных лампах с максимумом излучения на длине волны 253,7 нм люминофор отсутствует, а стенки трубки изготовлены из увиолевого стекла.

Люминесцентные лампы с разрядом в инертных газах обладает худшей светоотдачей, однако способны работать в условиях низких температур.

Существует много других разновидностей газоразрядных источников излу­ чения низкого давления:

лампы тлеющего разряда (например неоновые индикаторы);

натриевые лампы низкого давления, излучающие с высокой светоотдачей до 170 лм/Вт желтый свет (0,589 мкм). Используются для наружного освещения;

спектральные лампы (ртутные, кадмиевые, цинковые, таллиевые, натрие­ вые, калиевые, рубидиевые, цезиевые, аргоновые, неоновые, криптоновые, ксе­ ноновые);

водородные и дейтериевые лампы, дуговой низковольтный разряд в кото­ рых создает интенсивное ультрафиолетовое излучение (от 0,48 до 0,17 мкм и линейчатый спектр до 90 нм);

а также безэлектродные лампы, лампы с полым катодом и другие.

Ртутные лампы высокого давления изготавливаются из трубок тугоплавкого стекла (при рабочих температурах 400 4-500 °С) или кварца (рабочая темпера­ тура до 9004-950°С). И х яркость (14-3) 106 кд/м2, светоотдача 304-50 лм/Вт. Используются эти лампы в светокопировальных, фотолитографических, фото­ химических установках, а также для общего освещения — в этом случае раз­ рядные трубки помещаются в стеклянную оболочку, покрытую люминофором. В металлогалогенных лампах спектр свечения корректируют, вводя в разряд галогениды различных металлов (Na, Tl, In, Sn, Se и др.).

Ртутные лампы сверхвысокого давления изготавливаются в основном трех видов:

трубчатые (стекло, кварц) с естественным охлаждением для освещения. Яркость (34- 12) 106 кд/м2, светоотдача 304-50 лм/Вт;

капиллярные с водяным охлаждением. Рабочее давление 40 -г 100 атм и более, яркость (2 ч-8) 108кд/м2, светоотдача 604-70 лм/Вт. Используются для проекционной аппаратуры;

шаровые лампы с малым расстоянием между электродами (меньше 0,03ч-1 см). Яркость коротких дуг превышает яркость ограниченных стенкой разрядов и составляет (14-12) 108 кд/м2 Эти лампы используются как точеч­ ные источники высокой яркости в проекционных системах, фотолитографии, микроскопии и люминесцентном анализе.

Газовые лампы высокого и сверхвысокого давления используют излучение дугового разряда в тяжелых инертных газах: ксеноне, криптоне или аргоне при давлении от одной до нескольких десятков атмосфер. Как и ртутные лампы, они имеют трубчатую или шарообразную форму.

Ксеноновые трубчатые лампы высокого давления с мощностью 2 ч-50 кВт, светимостью 204-45 лм/Вт и яркостью до 3 • 107 кд/м2 применяются для наруж­ ного освещения и для накачки лазеров непрерывного действия. Лампы имеют в видимой области непрерывный спектр, близкий к солнечному, с группой ин­ тенсивных линий в диапазоне 0,8ч-1,0 мкм. Криптон более теплопроводен, но лучше согласуется по спектру для подкачки неодимовых лазеров.

Лампы с парами щелочных металлов (особенно K-Rb) при давлении ~ 1 атм в трубках из сапфира или поликора селективно излучают в видимой и ближней инфракрасных областях (мощность до 1 кВт, цветовая температура до 4500 К).

В так называемых электродоцветных дуговых лампах высокой яркости ос­ новным источником излучения являются электроды, раскаленные в газовом разряде. К ним относятся лампы с концентрированной дугой (с вольфрамовым электродом, обеспечивающие яркость до 108 кд/м2) и открытые дуги с электро­ дами из чистого угля или угля с примесями солей металлов (кальций, стронций, барий, медь, железо, редкоземельные металлы). Яркость центрального кратера такой дуги более 3 108 кд/м2 (Т~9200 К).

В импульсных газовых источниках, создающих периодические световые вспышки, обычно используется искровой разряд от батареи конденсаторов. Конструкции этих ламп — трубчатые (менее 1 атм) или шаровые (несколь­ ко атмосфер), наполнение — тяжелыми инертными газами (преимущественно ксеноном) или парами металлов.

Трубчатые ксеноновые лампы для накачки лазеров излучают 504-40000 Дж при длительностях импульса 0,1 ч-1,5 мс и средней мощности от 10 Вт до 10 кВт. Капиллярные лампы для стробоскопии излучают до 25 Дж при длитель­ ностях импульса 2ч-300 мкс, частотах до 5 кГц и яркостях до 1,2 Ю10 кд/м2. В шаровых лампах, применяемых для стробоскопии, фотолитографии и сверхско­ ростной фотографии, при импульсах длительностью 0,35ч50 мкс достигается яркость до 1011 кд/м2 В лабораторных источниках искрового разряда удается получить вспышки наименьшей длительности ( ~ 10-9 с).

Существует еще много различных способов и устройств для получения некогерентного оптического излучения, в том числе импульсного. Перечислим некоторые из них:

электролюминесцентные спектральные панели;

катодолюминесцентные экраны электронно-лучевых трубок;

пламена, возникающие при горении газовых, жидких или твердых горючих веществ (пиротехника);

излучение металлической плазмы, образующейся при электрическом взрыве тонких проволок (импульс длительностью от 1 до 100 мкс с мощностью до 70 кДж, яркостная температура ~104 К);

яркие плазменные вспышки длительностью 10_8ч-10-7 с при фокусировке мощного импульса лазерного излучения в плотном газе (яркостная температура до 4 • 104 К) или на твердой мишени (яркостная температура ~ 2 105 К);

синхротронное излучение и др.

В инфракрасной технике и спектроскопии в качестве эталонных и рабочих источников используют различные модели абсолютно черного тела, глобары (стержень из карбида кремния, нагреваемый электрическим током до темпера­ туры ~ 1500 К, а с покрытием окислами тория — до ~2400 К), штифты Нернста, газокалильные сетки и др. Штифт Нернста — трубка или цилиндрический керамический стержень, спрессованный из тугоплавких окислов циркония, ит­ трия и тория, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При запуске штифт подогревается вольфрамовой спиралью примерно до 1000 К,

азатем накаливается до 1700 К и более электрическим током.

2.5.3.Лазеры [38, 47]. Лазеры (квантовые генераторы и усилители оп­ тического диапазона) — единственные источники интенсивного оптического излучения, обладающие высокой степенью когерентности, монохроматичности

инаправленности. Для работы лазера необходимо создать в активной среде ин­ версную заселенность энергетических уровней (при которой стимулированное излучение доминирует над поглощением и происходит оптическое усиление) и обеспечить оптическую положительную обратную связь. Использование интер­ ферометра Фабри-Перо для обратной связи в оптическом диапазоне впервые предложил академик А. М. Прохоров.

В зависимости от активной среды различают газовые, твердотельные и жид­ костные (активированные диэлектрики), полупроводниковые лазеры. В каче­ стве примеров рассмотрим конструктивные особенности и основные характери­ стики трех типов наиболее распространенных лазеров.

2.5.3.1.Газовые лазеры на колебательно-вращательных переходах моле­ кул СО2, излучающие при 10,6 и 9,6 мкм. Активной средой лазера служит смесь излучающего углекислого газа, азота и гелия в соотношении 1 :1:8 для лазеров низкого давления (Рне = 2000 Па) и до 1 :1 :1 ,5 — для лазеров с давле­

нием более 1 атм. Газовые активные среды со слабым взаимодействием молекул обеспечивают высокую оптическую однородность и узкие спектральные линии излучения.

Конструктивная схема оптического газового лазера изображена на рис. 2.5.1. Активный элемент представляет собой трубку /, заполненную сме­ сью газов, в которой с помощью впаянных в нее электродов 2 и 3 и источника питания 6 зажигается электрический разряд. Трубка помещена в оптический

Р и с . 2.5.1. Конструкция газоразрядного лазера: / — разрядная трубка, 2 — анод, 3 — катод, 4 — сферические интерференционные зеркала резонатора, 5 — окна Брюстера, 6 — источник питания

резонатор, образованный двумя зеркалами 4 (плоскими или сферическими). Для уменьшения потерь на френелевское отражение выходные окна 5 на тор­ цах трубки располагают под углом Брюстера. При этом коэффициент отраже­ ния для поляризованной в плоскости падения волны мал и излучение лазера оказывается плоскополяризованным. Зеркала резонатора могут располагаться и внутри трубки.

Реализация отпаянных оптических лазеров стала возможной только после появления катализаторов, регенерирующих молекулы С 0 2 из образующихся в газовом разряде молекул СО. Кроме отпаянных, существуют и другие кон­ струкции С 02 лазеров: с продольной и поперечной прокачкой газа, волноводные лазеры.

Молекула С 02 — линейная и симметричная. Она характеризуется колеба­ ниями трех типов: осевые колебания двух атомов кислорода относительно цен­ трального атома углерода в фазе или противофазе и изгиб (причем последняя деформация может происходить в двух взаимно перпендикулярных направле­ ниях — деформационная мода дважды вырождена). Одновременно происходит и вращение молекулы. При этом кванты вращательного движения значительно меньше. Множество переходов между колебательно-вращательными уровнями обеспечивает генерацию в сравнительно широкой области 9,6-5-10,6 мкм.

Прямое возбуждение молекулы С 02 в электрическом разряде малоэффек­ тивно и для создания инверсной заселенности используется передача энергии от метастабильного — сравнительно долгоживущего — возбужденно состояния молекул азота, отстоящего от верхнего рабочего уровня молекулы С 0 2 всего на 2,2 мэВ. Напомним, что метастабильными называют такие возбужденные энер­ гетические состояния, для которых все дипольные переходы на более низкие уровни запрещены.

Добавление к смеси гелия существенно ускоряет опустошение нижних ла­ зерных уровней. Таким образом обеспечивается четырехуровневая схема ра­ боты квантовых генераторов, позволяющая получать инверсию населенности при минимальных уровнях накачки (рис. 2.5.2). Кроме того, гелий обладает высокой теплопроводностью и способствует охлаждению С 02 до температуры стенок трубки.

Промышленность выпускает отпаянные С 02 лазеры с непрерывной мощно­ стью излучения на единицу длины разряда 504-100 Вт/м при диаметре трубки ~ 1,5 см и сроке службы 105 часов и более. Если газовую смесь поддерживать

/каскадные

Р и с . 2.5.2. Энергетическая схема четырехуровневого С 0 2 лазера [47]

при более высоких давлениях вплоть до атмосферного, съем энергии с единицы объема увеличивается на порядок. Существуют мощные лазеры, генерирующие в непрерывном режиме десятки киловатт, и импульсные лазеры с выходной энергией в импульсе до 100 кДж при длительности менее 1 нс.

Лазеры с высокой степенью когерентности используются в лазерных ло­ каторах и дальномерах, при гетеродинном приеме излучения, позволяющем, например, измерять скорости объектов по допплеровскому смещению частоты. Высококогерентные лазеры малой мощности с перестройкой частоты излучения служат для контроля атмосферы на содержание в ней примесей многих газов.

Газодинамические С 02 лазеры, инверсия в которых создается при адиабати­ ческом расширении предварительно нагретой до высокой температуры газовой смеси С 02 + N2 + Н20 (например, при давлении более 10 атм и температу­ ре 1400 К), генерируют самые высокие мощности излучения: сотни киловатт в непрерывном (точнее в квазинепрерывном — лазер работает секунды) режиме и находят все большее применение для обработки металлов и других материалов.

Из других молекулярных лазеров следует упомянуть азотный (источник интенсивного импульсного ультрафиолетового излучения А = 337,1 нм) и СО лазер, генерирующий излучение в диапазоне 54-6,5 мкм с прекрасным суммар­ ным КПД до 75%.

Кроме молекулярных, существуют другие типы газовых лазеров: атомар­ ные лазеры (весьма стабильный гелий-неоновый лазер, генерирующий десятки и сотни милливатт на длине волны 3,39 мкм и десятки милливатт в обла­ сти 1,154-0,63 мкм; импульсный лазер на парах меди генерирует при нагреве активной среды до 1500°С в зеленой области спектра А = 0,51 мкм, где наблю­ дается максимум прозрачности морской воды); ионные газоразрядные лазеры (например, аргоновый лазер, генерирующий в непрерывном режиме десятки ватт на длинах волн 488 и 518,5 нм); мощные импульсные эксимерные лазе­ ры, работающие на электронно-колебательных переходах между устойчивым возбужденным и химически неустойчивым основным состоянием молекул со­ единений благородных газов Хе%, Кг£, Аг£ ,ХеГ* и др. с возможностью плавной перестройки спектра в диапазоне от 0,125 до 0,352 мкм; химические лазеры для средней инфракрасной области спектра З-j-lO мкм, а также уникальные рент­ геновские лазеры на высокоионизированных атомах и лазеры на свободных электронах.

К настоящему времени осуществлена генерация более чем на 1000 различ­ ных переходах в газах и газовых смесях в интервале от 0,1 мкм до 1 мм и более.

2.5.3.2. Твердотельные лазеры на основе кристаллов и стекол, легиро­ ванных неодимом. Использование в качестве лазерной среды диэлектрика обеспечивает получение больших, чем в газовых лазерах, концентраций актив­ ных центров и удельной мощности излучения, однако ограничивает возможно­ сти возбуждения только оптической накачкой.

Известно, что у редкоземельных элементов недостроенная внутренняя элек­ тронная оболочка 4 / экранируется от внешних воздействий валентными элек­ тронами 5s и 5р. В связи с этим при введении этих элементов в различные конденсированные среды не происходит значительной перестройки их энер­ гетического спектра, что позволяет осуществить лазер по четырехуровневой схеме.

Из 14 редкоземельных элементов наилучшие результаты получены на трех­ валентном ионе неодима Nd3+, обеспечивающего генерацию на длине волны 1,06 мкм при накачке от современных GaAs лазеров и светодиодов. Гене­ рация с участием этого иона наблюдались более чем в 100 различных мат­ рицах, при этом оптимальной совокупностью свойств обладают кристаллы алюмо-иттриевого граната Y3AI5O12, гадолиний-скандий-галлиевого граната GdaScGasO^ и стекол, в которых до 5% массы компонентов замещены окислом Nd20 3.

К преимуществам стекол относятся оптическая однородность и возмож­ ность изготовления больших активных элементов (длиной до 1 м и поперечным размером более 10 см). Поэтому с помощью стеклянных лазеров удается по­ лучить большие энергии в импульсе — до нескольких тысяч джоулей. Однако малая теплопроводность стекла ограничивает среднюю мощность излучения.