Генераторы оптического излучения

Это приборы, преобразующие электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения, заданного спектрального состава и пространственного распределения. Основным прибором, используемым в системах охраны являются лазеры и лазерные диоды, которые генерируют оптическое когерентное излучение, используя эффект вынужденного (стимулированного излучения). Исходя из требований эксплуатации, наибольший интерес представляют полупроводниковые инжекционные лазеры (ПИ-13, 17..., ИЛПИ-9 и др.) и миниатюрные газовые (когда задана высокая степень когерентности). Простейшие полупроводниковые инжекционные лазеры выполняются на основе одного вида полупроводника (арсенида галлия, фосфида индия и др.), представляющего собой параллелепипед с р-n-переходом, перпендикулярным двум противоположным торцам кристалла. Рекомбинация носителей происходит вблизи плоскости перехода и в самом переходе, положительная обратная связь создается за счет параллельных отражающих торцевых поверхностей, образующих резонатор Фабри-Перо. Отражение от торцов обусловлено разницей показателей преломления полупроводника и воздуха. Поверхности неизлучающих граней подвергают загрублению, добиваясь их шероховатости, чтобы исключить возможность излучения в нежелательных направлениях.

При малых уровнях инжекции присутствует только спонтанное излучение. Когда плотность тока инжекции (накачки) возрастает, достигая порогового значения, полное оптическое усиление в структуре становится равным полным потерям и возникает генерация, или лазерный эффект. Диаграмма направленности лазерного диода несимметрична и составляет порядка 20^о и 40^о. Такая расходимость луча ограничивает применение лазерных диодов и требует применения специальных согласующих и фокусирующих устройств. При комнатной температуре пороговая плотность тока составляет 30 - 100 А/см². Такие токи приводят к перегреву кристалла и быстрому его разрушению. При уменьшении температуры кристалла до температуры жидкого азота возможна длительная работа лазера. Лазерные диоды, кроме того, с ростом температуры имеют сдвиг ватт-амперной характеристики, что приводит к изменению величины порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка используются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой электрических микрохолодильников. Для систем оптической локации используются лазеры с излучаемой мощностью 5 - 20 мВт. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемой мощностью и сроком службы. Сегодня в лабораториях уже имеются лазеры срок службы которых превышает 100000 часов.

Меньшими требованиями к температурному режиму обладают газовые лазеры, которые, кроме того, обладают более узкими диаграммами направленности и большей излучаемой мощностью.

В тех случаях, когда требования когерентности и острой направленности излучения не выдвигаются, используются светоизлучающие диоды (светодиоды) - излучатели, основанные на инжекционной спонтанной электролюминесценции полупроводниковых диодов. От полупроводниковых лазеров эти приборы выгодно отличаются меньшей стоимостью, лучшими эксплуатационными параметрами, простотой применения. Мощность излучения таких приборов в непрерывном режиме в инфракрасном диапазоне составляет 0,1 - 1 мВт при токе 1 - 20 мА (маломощные) и 10 - 500 мВт при токе 50 - 3000 мА (мощные), напряжение питания обычно 1,5 - 3 В. Причем выходная мощность с ростом прямого тока возрастает, а с ростом температуры - снижается. Диаграмма направленности излучения для типичного светодиода составляет /6 (АЛ107Б).

Для получения большей мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между лазерами и светодиодами. При низком токе оптическое излучение таких диодов не отличаются от обычных светодиодов, но привышении определенного порога происходит (как и в лазерах) возрастание доли индуцированного излучения - это режим суперлюминесценции.

Суперлюминесцентные диоды представляют собой торцевые излучатели, работающие на участке ватт-амперной характеристики, свойственном оптическому усилению, однако лазерный эффект здесь отсутствует. Такие диоды изготовляют в виде обычной четырехслойной лазерной гетероструктуры. Полосковый контакт достигает световыводящей грани и не доходит до противоположной грани резонатора. Такая конструкция обеспечивает подавление лазерного эффекта за счет внесения в резонатор дополнительных потерь. По сравнению со светодиодами суперлюминесцентные диоды характеризуются более высоким дифференциальным квантовым выходом излучения, меньшей спектральной шириной излучения и улучшенным вводом излучения в волокно. Однако достижение таких высоких характеристик требует увеличения тока накачки до уровня, сравнимого с током накачки лазеров.

КПД у суперлюминесцентных диодов не более 3%, поэтому они нашли применение волоконно-оптических системах охраны большой протяженности. Поскольку мощность излучения здесь выше, такие системы являются самыми помехозащищенными и давно успешно используются в технике. Есть много схем включения светоизлучающих приборов. Одна из наиболее быстродействующих, на основе высокочастотного транзистора показан на рис. 19.

Рис. 19

Примеры выполнения излучающих устройств обладающих специальными свойствами приведены на рис. 20, а, б, в (с кодовой модуляцией светодиодов, различной яркостью свечения и повышенной помехозащищенностью, соответственно).

а б

в

Рис. 20

Излучающие элементы оптического диапазона сегодня выпускаются в виде передающих оптических модулей, состоящих из оптической головки и электронной схемы для модуляции излучаемого света (используется в современных системах охраны с повышенными требованиями к уровню чувствительности и избирательности). Основными характеристиками модулей являются: мощность излучения, длина волны, рабочий интервал температур, срок службы и напряжения питания. Лазерные модули имеют структурную схему построения более сложную, так как требуется обеспечить управление лазером, стабилизацию его работы и ряд других особых условий.

Большинство модулей работают при температуре -40 - +70 ^оС, средняя мощность излучения 0,5 - 1,2 мВт, длина волны 0,78 - 1,3 мкм, потребляемый ток 200 - 600 мА.