Post on 28-Dec-2015
description
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 13
GENERATOARE DE SEMNALE
FOTONICE
2.1 Scopul lucrării Scopul acestei lucrări este cunoaşterea unor tipuri de generatoare
fotonice precum şi determinarea caracteristicilor curent/tensiune şi
putere/curent ale LED-urilor şi diodelor laser, a distribuţiei spaţiale în câmp
îndepărtat şi măsurarea divergenţei fasciculului laser.
2.2 Introducere teoretică 2.2.1 Scurt istoric
Optoelectronica este domeniul ştiinţei şi tehnicii care foloseşte
fascicule de fotoni pentru procesarea informaţiei, care a apărut şi s-a
dezvoltat din nevoia de a transmite informaţia cu viteză tot mai mare. În
adevăr, electronica tradiţională care îndeplineşte aceleaşi funcţiuni, bazată
pe electroni, şi-a dovedit limitele sale in principal din cauză că electronul
are o viteză prea mică în corpul solid datorită interacţiei electron-materie
( în siliciu, viteza este de sute de kilometri pe secundă ), iar fotonul,
particulă neutră electric se deplasează în corpul solid aproximativ de 1000
de ori mai repede obţinând astfel performanţe în viteză de aproximativ 1000
de ori mai mari.
Fotonii există de când există lumea si savanţii şi-au pus problema
naturii luminii abia în Grecia antică; după ştiinţa noastră, lui Democrit
LUCRAREA NR.2 14 _____________________________________________________________________
(c. 460-c. 370 î.e.n.) i se datorează ideea naturii corpusculare a luminii, idee
care a dăinuit până în secolul XVII. In 1690, Christian Huygens a propus o
teorie care explica natura ondulatorie a luminii. In 1704 Isaac Newton care
descoperise anterior spectrul vizibil, a oferit o teorie alternativă care
susţinea că lumina este compusă din corpusculi care sunt emişi de corpurile
luminoase. Datorită pe de o parte prestigiului lui Newton şi pe de altă parte,
lipsind o evidenţă experimentală suficientă, pentru a asigura o bază adecvată
de comparaţie a celor două teorii, pentru mai mult de 100 ani, teoria
corpusculară a lui Newton privind lumina a fost preferată teoriei ondulatorii.
În final, au fost efectuate experimente importante privind difracţia şi
interferenţa luminii de către Thomas Young (1801) şi de către A.J. Fresnel
(1814) care au putut fi interpretate numai în termenii teoriei ondulatorii.
Polarizarea luminii era un alt fenomen care putea fi explicat numai prin
teoria ondulatorie. Astfel, în secolul al XIX-lea teoria ondulatorie a devenit
teoria dominantă a naturii luminii. Teoria ondulatorie a primit un suport
suplimentar, odată cu teoria electromagnetică a lui James Clerk Maxwell
(1864) care demonstra propagarea simultană a câmpurilor electric şi
magnetic cu o viteză identică cu cea a luminii. Astfel, a devenit clar ca
lumina vizibilă este o formă a radiaţiei electromagnetice, constituind numai
o mică porţiune a spectrului electromagnetic. Lui Einstein i se datorează
denumirea de foton pentru această veche microparticulă (în limba greacă
phos, photos = lumină).
2.2.2 O clasificare a generatoarelor fotonice
După principiul de funcţionare, se întâlnesc următoarele tipuri de
generatoare fotonice :
generatoare bazate pe radiaţia corpurilor incandenscente, la care
energia de pompare a microparticulelor este energia termică;
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 15
generatoare bazate pe descărcări în gaze, la care energia de
pompare se obţine de la curentul de descărcare a gazului;
generatoare luminiscente, care pot fi cu
- fotoluniniscenţă, cu energia de pompare în spectrul optic
ultraviolet ;
- catodoluminiscenţă, energia de pompare obţinută prin
bombardament cu fascicul de electroni;
radioluminiscenţă, energia de pompare obţinută de la un
fascicul de fotoni X sau ;
electroluminiscenţă, energia de pompare realizată prin
câmp electric continuu sau câmp electric alternativ;
generatoare necoerente bazate pe recombinarea în joncţiuni
semiconductoare ( LED,IRED); generatoare coerente bazate pe
recombinarea in joncţiuni semiconductoare(diode LASER ); diode laser
semiconductoare dublă heterojoncţiune (DH); diode laser cu bariere
cuantice (SQW-laser,MQW-laser );
diode laser cu structuri distribuite (DFB şi DBR );
diode laser cu cavitate verticală cu emisie pe suprafaţa (VCSEL).
2.2.3 Principiul de funcţionare
La baza funcţionării LED-urilor şi a diodelor laser stau principiile
electronicii cuantice, comune tuturor laserilor, aplicate joncţiunii p-n.
Diodele care emit radiaţie incoerentă sunt LED-urile şi acelea care emit
radiaţie stimulată sunt diodele laser. Aceste diode sunt realizate din
materiale monocristaline care constau din structuri heterojoncţiune, în care
LUCRAREA NR.2 16 _____________________________________________________________________
sunt combinate straturi de tipurile p şi n, pentru a realiza proprietăţile
proiectate.
Fig. 2-1. Structura unei diode laser cu emisie laterala şi profilul fasciculului.
În Fig. 2-1 sunt date structura unei diode laser cu emisie laterală,
profilul fasciculului laser şi dimensiunile geometrice ale structurii. Emisia
fasciculului laser are loc în planul joncţiunii şi perpendicular pe apertura
optică. În comparaţie cu alte tipuri de laseri, dioda laser oferă unele
avantaje, precum dimensiuni considerabil mai mici, preţuri de cost reduse şi
abilitatea unică de modulaţie a puterii la ieşire, prin variaţia curentului în
w (1-250)
L 200-500 m
I x
y
Undă
Faţeta de clivaj
50% din PUTERE
z
Zona de sarcina spatiala
p+ n
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 17
dispozitiv, până la rate de ordinul zecilor de GHz. Despre un LED se poate
gândi ca despre o diodă laser care nu are cavitate. Şi LED-ul şi dioda laser
emit fotoni ca urmare a recombinării purtătorilor de sarcină. Dacă structurii i
se adaugă o cavitate cu Q mare, reacţia poate îndeplini condiţia declanşării
efectului laser. Cele mai multe diode laser au cavitatea constituită chiar în
ele. Cavitatea cu Q mare limitează drastic numărul modurilor de
funcţionare. Rezultatul constă în îngustarea pronunţată a lărgimii liniei de
emisie şi în reducerea dimensiunilor transversale ale fasciculului, precum şi
în creşterea eficienţei cuantice. Dioda laser se poate compara cu LED-ul de
putere mică dar LED-ul prezintă o lărgime spectrală de emisie mai largă,
radiaţie necoerentă, mai puţin direcţională şi capabilitate de modulaţie
limitată de timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină. Fabricarea acestor diode
implică creşterea epitaxială a compuşilor III-V prin diferite metode
incluzând epitaxia în fază lichidă, epitaxia în fază de vapori şi epitaxia în
fascicul molecular. Diodele laser şi LED-urile destinate comunicaţiilor
optice, folosesc GaAs şi AlGaAs pentru domeniul spectral 0,8-0,9 m şi
InGaAs sau InGaAsP pentru domeniul 1,0 m – 1,3 m. Semiconductoarele
cu bandă interzisă directă, aşa cum sunt GaAs şi InP pot produce eficient
lumină. În particular, compuşii InxGa1-xAs şi InxGa1-xAsyP1-y sunt folosiţi
pentru fabricarea LED-urilor şi a diodelor laser cu lungimi de undă pentru
LUCRAREA NR.2 18 _____________________________________________________________________
telecomunicaţii (1,3 m şi 1,55m – corespunzătoare ferestrelor a II-a şi
respectiv a III-a ale fibrei optice din SiO2). GaAs este folosit, în principal,
pentru realizarea diodelor laser din CD player ( ~ 0,8 m). Există două
tipuri de diode generatoare de lumină necoerentă: LEDuri cu emisie pe
suprafaţă şi LEDuri cu emisie laterală, Fig. 2-2.
La primele, lumina se extrage perpendicular pe suprafaţa
emiţătoare, fie prin traversarea regiunii subţiri p (sau a regiunii groase n),
sau în cazul cuplajului cu fibră, printr-un orificiu corodat. LED-urile
destinate comunicaţiilor optice întrunesc următorii parametri: rată înaltă de
modulaţie, radiantă înaltă, fiabilitate bună si emit pe lungimi de undă
cuprinse în domeniul spectral cu atenuare redusa în fibrele optice.
Tabelul 1-1. - Câteva semiconductoare cu valorile Eg Materialul Eg(eV) λ
GaAs 1,424 870 nm AlAs 2,09 590 nm GaP 2,24 550 nm InP 1,33 930 nm
AlGaAs 1,42-1,61 770 – 870 nm InGaAlAs 0,74 – 1,13 1100 – 1670 nm
Fig.2-2 Prezentarea schematică a două tipuri de LED-uri: a) LED cu emisie pe suprafaţă; b) LED cu emisie laterală.
fibră disc de cuplare
electrod superior regiune activă
(InGaAs)
electrod inferior p-InGaAsP n-InGaAsP
electrod superior
electrod inferior
fibră
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 19
Laserii cu cavitate verticală cu emisie pe suprafaţă – VCSEL –
asigură în contrast cu structurile laser clasice – emisia luminii paralelă cu
direcţia de creştere epitaxială.
Fig. 2-3. O structură a unei diode laser VCSEL.
Fig. 2-4. Structuri de laseri VCSEL.
Ieşire
Substrat n-InP
n-InP
p-InP
Ieşire
Substrat
Contact Au/Ti
RBD p
Regiunea activă
RBD n
Fasciculul laser
y
Strat n
Strat p
x
z
Zona activă
LUCRAREA NR.2 20 _____________________________________________________________________
În particular, se poate realiza o emisie longitudinală monomod
datorită lungimii reduse a cavităţii, o densitate redusă a curentului de prag şi
o formă simetric rotaţională a zonei active, care permite emisia în profil
transversal circular. Ultima caracteristică este foarte importantă în multe
aplicaţii unde este necesară cuplarea la fibra optică astfel încât diodele laser
VCSEL sunt surse de lumină cu parametri superiori pentru comunicaţii.
O caracteristică esenţială a structurilor VCSEL constă în lungimea
foarte mică a cavităţii, echivalentă cu 1-3 lungimi de undă a luminii emise.
Ca rezultat, într-un singur parcurs al cavităţii, un foton are o şansă mică de
declanşare a emisiei stimulate la densităţi mici ale purtătorilor. Prin urmare,
laserii VCSEL necesită oglinzi cu reflectivitate înaltă, pentru a le asigura
eficienţă. Pentru laserii clasici reflectivitatea oglinzii de ieşire este de
Fig. 2-5. Variaţia puterii optice de ieşire funcţie de curentul de comanda: a) LED; b) dioda laser.
[mA]
30
[W]
10
Curentul prin diodă a)
Pute
rea
de ie
şire
Pou
t
[mA]
50
[W]
3
Curentul prin dioda laser b)
Pute
rea
de ie
şire
Pou
t
0 Ip
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 21
aproximativ 30%. Pentru laserii cu structura VCSEL reflectivitatea cerută
trebuie să fie mai mare de 99,9%. Asemenea valori ale reflectivităţii nu pot
fi realizate cu oglinzi metalice. În cazul acestor laseri se face uz de
reflectoare Bragg distribuite.
În Fig. 2-5 se prezintă curbele caracteristice tipice de variaţie a
puterii de ieşire în funcţie de curentul de intrare pentru un LED şi pentru o
diodă laser. De notat că puterea de ieşire a LED-ului este lineară cu
curentul. Răspunsul diodei laser începe într-o manieră lineară (asemănătoare
LED-ului) apoi prezintă o creştere cu o pantă mult mai rapidă. Aceasta
înseamnă că, în jurul punctului de schimbare bruscă a pantei şi dincolo de
aceasta, are loc trecerea din regimul de emisie spontană în regimul de emisie
stimulată, aceasta fiind condiţia de prag.
2.2.4 Emisia stimulată şi câştigul
Un sistem atomic cu doua nivele, la echilibru termic, Fig. 2-6, este
reprezentat prin starea nivelului inferior care este populat cu cei mai mulţi
ioni şi nivelul superior populat cu foarte puţini ionii, conform distribuţiei
Boltzmann.
Se consideră un foton cu energia ђ12=h12=W2-W1, care
acţionează in sistem. Tipic, acest foton este absorbit pe un traseu de lungime
-1, provocând tranziţia unui electron adiţional pe nivelul superior,
Fig. 2-6,a). Absorbţia fotonului cu energia ђ12, cu probabilitatea în unitatea
de timp B12u, este descrisă de relaţia
LUCRAREA NR.2 22 _____________________________________________________________________
1121 NuB
dtdN
(2.1)
unde N1 şi N2 reprezintă densitatea atomilor în stările 1 şi respectiv 2, iar uν
este densitatea de energie.
Acest electron va reveni pe nivelul fundamental după un timp
mediu sp, timpul de viaţă al purtătorilor spontani, Fig. 2-6 b). Emisia
spontană a fotonului cu energia ђ12, cu probabilitatea în unitatea de timp
A21 este descrisă de ecuaţia
2212 NA
dtdN
sp
(2.2)
Fotonul incident poate produce un proces invers absorbţiei; el poate
induce tranziţia unui electron de pe nivelul superior pe nivelul inferior. În
această situaţie, procesul se numeşte emisie stimulată, fotonul indus este
emis în acelaşi mod ca şi fotonul incident. Deoarece, la echilibru termal
densitatea atomilor excitaţi este foarte mică, rata de emisie stimulată este
neglijabil de mică. Calea pentru îmbunătăţirea performanţelor este evident
cea a favorizării emisiei stimulate (LASER) în defavoarea emisiei spontane,
crearea condiţiilor pentru inversia de populaţie, în care populaţia atomilor
NIVELUL SUPERIOR (NEPOPULAT)
W1
W2
ђ12
NIVELUL INFERIOR (POPULAT)
NIVELUL SUPERIOR (PUŢIN POPULAT)
NIVELUL INFERIOR (PUTERNIC POPULAT)
ђ12
NIVELUL SUPERIOR (PUTERNIC POPULAT)
ђ12
NIVELUL INFERIOR (NEPOPULAT)
ђ12
a) b) c)
Fig. 2-6. Sistemul atomic cu două niveluri: a) procesul absorbţiei fotonului;
b)procesul emisiei spontane; c)procesul emisiei stimulate.
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 23
excitaţi depăşeşte populaţia atomilor din starea fundamentală, devenind
astfel posibil câştigul optic, Fig. 2-6c). Emisia stimulată a unui foton de
pulsaţie , cu probabilitatea în unitatea de timp B12u, înseamnă scăderea
populaţiei nivelului 2, descrisă de relaţia
2212 NuB
dtdN
st
(2.3)
Semnul minus semnifica scăderea populaţiei pe nivelele respective.
Cele trei fenomene - absorbţia, emisia spontană şi emisia stimulată, există
simultan. Dacă unul dintre coeficienţi este nul (fenomenul corespunzător
lipseşte) şi ceilalţi coeficienţi sunt nuli. Nu vom putea deci construi
niciodată un generator fotonic bazat numai pe emisia stimulată, situaţie în
care toţi fotonii vor avea aceeaşi energie (acelaşi ω – coerenţa temporală
totală) şi acelaşi impuls (acelaşi k - coerentă spaţială totală). Dar ne putem
apropia de soluţia ideală favorizând emisia stimulată în defavoarea emisiei
spontane.
Cu aceasta s-a demonstrat emisia stimulată a radiaţiei – Stimulated
Emission of Radiation – SER. În continuare, se prezintă procesul de
amplificare a luminii în structurile laser semiconductoare, pentru a obţine
efectul de Amplificare a
Luminii prin Emisia
Stimulată a Radiaţiei –
LASER. În acest sens se
consideră cavitatea Fabry-
Perot reprezentată în
Fig. 2-7.
Cavitatea optică
asigură mecanismul
L
O1-(R1) O2-(R2)
Fig. 2-7 Schema rezonatorului laser. R1=1 R2=0,30
LUCRAREA NR.2 24 _____________________________________________________________________
reacţiei inverse şi al câştigului optic, prin reflexiile repetate la nivelul
oglinzilor O1 şi O2 şi amplificarea optică la fiecare trecere. Intensitatea
undei la sfârşitul unui parcurs, dus-întors, al cavităţii este
EEgLexpRRILI EE 202 21 (2.4)
şi câştigul la atingerea pragului laser este dat de relaţia
ERR
lnL
gEg p 21
121 (2.5)
2.2.5 Polarizarea joncţiunii semiconductoare si efectul laser
Joncţiunea semiconductoare p-n conduce curentul electric
preferenţial într-un singur sens.
Dacă se polarizează invers joncţiunea, bariera de potenţial creşte si
prin urmare circulaţia curentului în joncţiune se întrerupe.
Polarizarea directă – aşa cum se prezintă în Fig. 2-9.
Electroni
Nivelul Fermi
Goluri
Regiunea n Regiunea sarcina
spaţială
Regiunea p
BV
BC
Eg
EF
Fig. 2-8. Nivelele energetice în joncţiunea p-n nepolarizată.
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 25
Tensiunea de polarizare directă creează în joncţiune purtători de
sarcină suplimentari, reducând bariera de potenţial şi determină injecţia de
purtători de sarcină prin joncţiune. Recombinarea constă în injecţia unui
electron, din BC a zonei n prin joncţiune într-un „gol” din BV a zonei p
(recombinarea electron-gol). Eliberarea energiei are loc ca rezultat al
recombinării. Energia este specifică energiei laser. O creştere bruscă a
conductivităţii apare când tensiunea de polarizare directă echilibrează
energia benzii interzise.
NOTĂ: Dacă nu este îndeplinită condiţia „inversiei de populaţie”,
care este cerută pentru producerea efectului laser, vor fi emişi fotoni prin
emisia spontană. Fotonii vor fi emişi în toate direcţiile aleatoriu, emisia
spontană stând la baza funcţionării LED-ului.
Fig. 2-9. Benzile energetice ale joncţiunii p-n polarizată direct.
Joncţiunea
Goluri
n p
Electroni Radiaţie de recombinare
+V
-V
LUCRAREA NR.2 26 _____________________________________________________________________
Condiţia inversiei de populaţie depinde de pompare. Prin creşterea
curentului injectat în joncţiune, se atinge curentul de prag care îndeplineşte
condiţia inversiei de populaţie.
Din teoria funcţionării joncţiunii p-n, ştim
"cuplare"eVhchE
(2.6)
unde - h este constanta din Planck ;
- lungimea de undă a radiaţiei DL;
e – sarcina electronului;
c – viteza luminii;
Vcupl – tensiunea de cuplare se determina experimental;
Valoarea a radiaţiei emisa de DL se determina experimental
folosind relaţia:
eVcuplhc
(2.7)
Tabelul 2-2. – Câteva constante numerice si valori tipice
Constanta Simbol Valoarea Unitatea Sarcina electronului e sau q 1,602 x 10-19 C Viteza luminii în vid c 2,998 x 108 m/s Constanta lui Planck h 6,626 x 10-34 Js Constanta lui Boltzmann k 1,381 x 10-23 J/grad K 1eV-energie eV 1,602 x 10-19 J Energia benzii interzise la GaAs
Eg 1,42la T=20C eV
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 27
2.3 Desfăşurarea lucrării
ATENTIE! Nu stationati si nu priviti direct (in) fasciculul laser. Acesta
poate provoca pete pe retina.Vezi Anexa „Reguli de protectie antilaser”.
Feriti-va de lumina laser reflectata. Conectati tensiunea la dioda laser cu polaritatea
corespunzătoare. Nu depasiti tensiunea de alimentare a diodei laser, respectiv
4,5V, in scopul evitarii distrugerii.
2.3.1. LED-ul – Dioda emiţătoare de lumină – Light Emitting Diode
2.3.1.1 Determinarea caracteristicilor Id Vd şi PLEDId
Se montează modulul LED si capul de măsurare, (S122A), al
powermetrului optic, în câte un suport cu trei şuruburi şi se fixează pe placa
metalică cât mai aproape unul de celalalt, ca în Fig. 2-10.
Fig. 2-10. Montajul pentru măsurarea caracteristicilor IdVd şi PLEDId.
DUAL POW SUPP
TEC TM 515 roşu
(1-20V) mA
mV V+
180RL
(COMMON) negru POWERMETRU OPTIC
+ -
MODUL LED CAP DE MĂSURARE (S 122 A)
(CONSOLA S 110)
LUCRAREA NR.2 28 _____________________________________________________________________
Folosind hârtia semitransparentă se verifică alinierea capului de
măsurare cu LEDul, astfel încât fasciculul optic emis de LED sa fie cuprins
în suprafaţa activă a capului powermetrului. Folosind tastele MENU,
MEASURENTS şi , de pe consola S110 se stabileşte lungimea de
undă λ = 700nm. Cu tasta RANGE se pot stabili valori ale puterii de
10 μW, 100 μW, 1000 μW, 10 mW, 100mW. Se stabileşte valoarea puterii
scalei de măsurare corespunzătoare puterii emise de LEDul măsurat. În
schema montajului experimental din Fig. 2-10 , este prezentată şi schema
electrică principială de măsurare a tensiunii de alimentare a modulului LED
şi a curentului prin acesta. Multimetrul DIGITALMULTIMETER se
foloseşte pentru măsurarea tensiunii de alimentare a modulului LED şi a
curentului prin acesta. Modulul LED se alimentează din secţiunea surselor
din aparatul TEK 515. Valorile tensiunii V+[V] se stabilesc din butoanele de
reglare BRUT şi FIN, conform tabelului 2-3. Corespunzător valorilor
tensiunii V+ se măsoară Id[mA] şi se înscriu în tabel. Se completează apoi
tabelul, cu valorile calculate, ale Vd[mV] folosind relaţia de mai jos
ddd RIVV (2.8)
Tabelul 2-3. - Caracteristicile LED-ului IdVd şi PLEDId.
V+[V] 1 2 3 4 5 6 8 10 Id[mA]
PLED[μW] Vd[mV]
Cu valorile măsurate şi calculate, din tabel se trasează
caracteristicile IdVd şi PLEDId.
Se determină eficienţa LED-ului din caracteristica PLED - Id folosind
relaţia
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 29
d
LED
IP
x 100% (2.9)
2.3.2 Distribuţia spaţială a fluxului optic emis de LED
2.3.2.1 Distribuţia unghiulară a fluxului optic emis de LED
Se foloseşte montajul experimental din Fig. 2-11. În locul
LED-ului din Fig. 2-9 se montează modulul emiţător LED cu goniometru
mecanic.
Se stabileşte tensiunea de alimentare la valoarea de +12 +/- 0,2 V,
astfel :
-se alimentează aparatul TEK TM 515 din reţeaua de ~220 V
trecând întrerupătorul ON - OFF aflat pe panoul din spate al aparatului pe
poziţia ON;
DUAL POW SUPP
TEC TM 515
Fig. 2-11. Montaj experimental pentru măsurarea distribuţiei unghiulare.
Rx
DIGITALVOLTMETER
+ -
HI LO
GONIOMETRU MECANIC
Ao
alb
verde
galben
negru
gri
INSTALAŢIE DE EMISIE (E)
albastru
INSTALAŢIE DE RECEPŢIE (R)
cuplat, decuplat
verde
negru
rosu
LUCRAREA NR.2 30 _____________________________________________________________________
-se conectează multimetrul digital (in regimul de măsurare a
tensiunii), la bornele roşu şi negru şi se reglează tensiunea la valoarea 12 +/-
0,2 V;
-se conectează la sursa de alimentare instalaţia de emisie (E) (firul
gri la borna roşu şi firul verde la borna negru ), şi apoi instalaţia de recepţie
(R) (firul galben la borna roşu şi firul albastru la borna negru);
-se stabileşte scala 2V la voltmetru si se conectează ieşirea
instalaţiei de recepţie (firul alb şi negru ) la voltmetru, conform schemei din
Fig. 2-11, (firul alb la +);
Se aliniază instalaţia de emisie şi cea de recepţie. Se stabileşte axa
de referinţă pe suportul circular al emiţătorului în dreptul gradaţiei 360 .
Se modifică distanţa D între emiţător si receptor până ce voltmetrul
indică valoarea tensiunii 1V.
Se roteşte controlat emiţătorul în sensul acelor de ceasornic, până
ce voltmetrul indică valoarea tensiunii de 0,5V şi se citeşte unghiul pe
goniometru. Se repetă operaţiunea, dar în sensul invers al acelor de
ceasornic şi se calculează media celor două unghiuri măsurate,
corespunzătoare valorii tensiunii de ieşire 0,5V.
Se revine în poziţia iniţială (tensiunea de ieşire 1 V) şi se reia
rotirea în sensul acelor de ceasornic, din trei in trei grade, citindu-se valorile
tensiunii măsurate, pentru 10 trepte succesive si se completează tabelul 2-4.
Tabelul 2-4. Date pentru trasarea distribuţiei unghiulare (grade) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 V [V] 1
Se reprezintă graficele cu distribuţia unghiulară în coordonate
polare şi respectiv în coordonate lineare şi se caracterizează.
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 31
2.3.2.2 Variaţia puterii LED-ului cu distanţa
Se foloseşte montajul experimental din Fig. 2-11. Se apropie
modulul fotoreceptor la 10 cm de emiţător, pe direcţia axului principal al
fasciculului şi se notează în tabelul 2-5 prima valoare a tensiunii Vout[mV].
Tabelul 2-5. Variaţia puterii LED-ului cu distanta
D[cm] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Vout[mV] PLED[mW]
Se măreşte distanţa conform tabelului si se notează valorile
corespunzătoare ale tensiunii Vout[mV]. Cu datele experimentale obţinute se
calculează puterea emisă de LED şi recepţionată de fotodioda receptorului
optic. PLED[mW], din tabel, se calculează cu relaţia
foutLED R
VP
1 (2.10)
Unde Rf =1KΩ este rezistenţa de reacţie a amplificatorului de
transimpedanţă al modulului de recepţie şi R este responsivitatea fotodiodei
egală cu 0,5 A/W. Cu datele din tabel se trasează graficul de variaţie a
puterii LED-ului cu distanţa. Se stabileşte legea de variaţie a puterii cu
distanţa şi se trag concluzii.
2.3.3 Măsurarea răspunsului LED-urilor în domeniul frecvenţă.
Se realizează montajul experimental din Figura. 2-12.
Se alimentează modulul LED cu tensiune sinusoidală 5 Vvv de la
ieşirea sinusoidală a generatorului de funcţii TM515 şi se cuplează
alimentarea fotodetectorului InGaAs de mare viteză DET 410.
LUCRAREA NR.2 32 _____________________________________________________________________
Se aliniază modulul LED cu fotodetectorul DET 410. Cu butonul
„Frecvenţă” se reglează frecvenţa la valoarea 50 Hz. Pe canalul CH1 al
osciloscopului se vizualizează tensiunea de comandă a LED-ului iar pe
canalul CH2 tensiunea fotodetectată. Se măreşte frecvenţa tensiunii de
comandă a LED-ului urmărindu-se valoarea tensiunii pe CH2. Se măsoară
frecvenţa la care Vout scade cu 3 dB. Aceasta este frecvenţa maximă de
funcţionare a LED-ului. Se trasează caracteristica de frecvenţă.
Se compară valoarea fT măsurată cu cea din foaia de catalog şi se
justifică eventualele diferenţe.
Fig. 2-12. Schema montajului experimental pentru măsurarea fT.
FUNCTION GENERATOR
TEC TM 515
MODUL LED
EXT
TRIHOT/DI
VERTICAL V/DIV
GOS-635
CH2 CH1
FOTODETECTOR InGaAs DE MARE VITEZĂ DET 410
RAMIFICAŢIE “T”
VOUT
Id
V0
a) b)
Vout
0 fT f(Hz)
1 0,70
Fig. 2-13. Evoluţia Vd, (a) şi caracteristica de frecvenţă a LED-ului, (b).
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 33
2.4 Dioda laser 2.4.1 Determinarea caracteristicilor IDL VDL şi PDL IDL
Se realizează montajul experimental pentru măsurarea
caracteristicilor IDL VDL şi PDL VDL, din Fig. 2-14.
Pentru determinarea caracteristicilor DL se procedează ca la LED,
punctul 2.1.1.
Se completează tabelul cu valorile măsurate şi cu cele rezultate din
calcule.
Tabelul 2-6. -Caracteristicile IDL VDL şi PDL IDL VDL[V] 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 IDL[mA]
Vout[mV] PDL[mW]
Fig. 2-14. Schema montajului experimental IDL VDL şi PDL VDL.
LASER
DUAL POW SUPP
TEC TM 515
DET 410
Rx
DIGITAL VOLTMETER
+ -
HI LO
mA (+)
mV (+)
roşu
ON
LUCRAREA NR.2 34 _____________________________________________________________________
PDL se calculează cu relaţia (2.10).
Se trasează graficele IDL VDL şi PDL IDL şi se determină tensiunea de
prag precum şi curentul de prag. Se compară caracteristicile LED ului cu
cele ale laserului şi se trag concluzii.
2.4.2 Măsurarea divergenţei fasciculului laser
Se plasează ecranul direct în faţa sistemului optic de colimare al
laserului, astfel încât fasciculul să cadă perpendicular pe ecran.
Se dispune ecranul în câteva poziţii la diferite distanţe, începând cu
cea mai apropiată de laser şi terminând cu cea mai îndepărtată – câţiva metri
fata de laser – (cu cât mai departe cu atât mai bine).
Se stabileşte distanţa L, între ecran şi laser conform tabelului 2-7,
(folosind ruleta), se măsoară diametrul D, al fasciculului pe ecran şi se
completează tabelul.
Tabelul 2-7. Divergenta fasciculului laser Distanţa laser-ecran [mm] 500 1000 2000 3000 4000 5000 D fascicul [mm]
Fig. 2-15. Măsurarea divergenţei fasciculului laser.
LASER
ECRAN
FASCICULUL LASER PE
ECRAN
D
d 2
2
L
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 35
OBSERVAŢII:
Având în vedere că radiaţia incidentă variază cu distanţa după legea
(1/L)2 iar transversal pe raza secţiunii transversale, aceasta scade
exponenţial de la centru spre margine (forma gauss), determinarea cu
precizie a diametrului fasciculului este dificilă.
O măsurătoare mai precisă se obţine prin scăderea diametrului
fasciculului la ieşirea din laser (d), din valoarea măsurată D, notând noua
valoare cu D.
Se determină unghiul de divergenţă folosind relaţiile aproximative.
]radiani[L
dD (2.11)
]grade[L
dD
180
(2.12)
şi se completează tabelul 2-8.
Tabelul 2-8. Divergenta fasciculului laser L [mm] 500 1000 2000 3000 4000 5000 D [mm] D = D-d [radiani] [grade]
Se trasează graficul de variaţie a diametrului fasciculului pe ecran,
D [mm], în funcţie de distanţa L [mm]. Se compară cu datele obţinute la
LED şi se trag concluzii.
2.4.3 Măsurarea distribuţiei spaţiale a fluxului optic emis de DL (cu
diafragma D4)
LUCRAREA NR.2 36 _____________________________________________________________________
Se montează diafragma D5 în capul laser. Se dispune fotodetectorul
DET 410 montat pe poziţionerul X-Y, la o distanţă de aproximativ 3 m faţă
de laser conform Fig. 2-16. Laserul se alimentează în regim modulat, de la
ieşirea OUTPUT AMPLITUDE a secţiunii PULSE GENERATOR a
aparatului TM 515, cu tensiune de forma dată în Fig. 2-16.
Se explorează fasciculul laser pe axele ox şi oy, cu incremente de
0.1mm, deplasând fotodetectorul DET 410 şi se măsoară cu osciloscopul
GOS-635, tensiunea fotodetectată, Vout[mV]. Valorile tensiunii măsurate se
înregistrează în tabelul 2-9 şi se completează acesta cu rezultatele calculate
pentru PDL[mW].
Tabelul 2-9.–Distribuţia transversală a fluxului optic pe axa ox Depl. ox
[mm] -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Vout[mV] PDL[mW]
Fig. 2-16 – Montajul experimental pentru măsurarea distribuţiei spaţiale a fluxului în plan îndepărtat.
LASER
PULSE GENERATOR
TEC TM 515
DET 410
EXT
TRIHO T/DI
VERTICAL V/DIV
GOS-635
CH2 CH1 ms (s)
1ms
V
t 1ms
4,5V
ON
LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 37
Pentru calculul puterii PDL se foloseşte relaţia (2-10).
Se trasează graficele de evoluţie a puterii pe direcţia axelor x şi
respectiv y şi se comentează.
Să se determine poziţiile (x) ale maximelor franjelor luminoase şi
respectiv ale minimelor cercurilor întunecate şi să se tragă concluzii.
Care din relaţiile de mai jos descrie distribuţia transversala a puterii
în fascicul?
a) xx ePP 0 ; (2.13)
b) 2
0x
x ePP ; (2.14)
c)
22
20 xe
PPx
; (2.15)
d) 201x
PPx ; (2.16)
e) 21
02
xxJPPx . (2.17)
unde P0 este puterea de vârf; J1(x) - funcţia Bessel de speţa întâi ordinul unu.
2.5 Conţinutul referatului scopul lucrării;
valorile măsurate si valorile calculate (Tabelele 3...10);
reprezentarea grafica a caracteristicilor LED si a LD;
distribuţia unghiulara a fluxului optic emis de LED;
variaţia puterii cu distanta in cazul LED-ului;
răspunsul in domeniul frecventa al LED-ului;
calculele privind divergenta si distribuţia spaţială in cazul
laserului;
LUCRAREA NR.2 38 _____________________________________________________________________
diferenţele si asemănările dintre rezultatele obţinute pentru LED
şi DL;
compararea rezultatelor obţinute prin calcul cu cele
experimentale;
interpretarea surselor de erori;
alte concluzii.