Bernard Ziętek OPTOELEKTRONIKA

Transkrypt

1 Uniwersytet Mikołaja Kopernika Bernard Ziętek OPTOELEKTRONIKA Wydanie III, uzupełnione i poprawione Toruń 2011

2 SPIS TREŚCI PRZEDMOWA DO III WYDANIA 1 PRZEDMOWA DO II WYDANIA 3 PRZEDMOWA DO I WYDANIA 4 SPIS NAJWAŻNIEJSZYCH SYMBOLI 8 I. PODSTAWY FIZYKI LASERÓW Wstęp Współczynniki Einsteina Szerokość widmowalinii Poszerzenie jednorodne Poszerzenie niejednorodne dopplerowskie Inne przyczyny poszerzenia linii widmowych Współczynnik wzmocnienia Pompowanie Schemat dwupoziomowy Schemat trójpoziomowy Schemat czteropoziomowy Nasycenie wzmocnienia Rezonatory optyczne Stabilność rezonatorów Liczba modów rezonatora optycznego Wiazki gaussowskie w rezonatorach Próg akcji laserowej Równania kinetyczne lasera Rozwiazania stacjonarne Szerokość spektralna linii Moc wyjściowa laserów 57 V

3 12.1. Wstęp Lasery liniowe Małe wzmocnienie Duże wzmocnienie Lasery pierścieniowe Uzupełnienia Właściwości światła laserowego Rozbieżność wi azki Monochromatyczność Gęstość mocy i luminancja Spójność światła laserowego Rozkład Plancka Poszerzenie naturalne linii emisji (jednorodne) Poszerzenie dopplerowskie linii emisji (niejednorodne) Optyka macierzowa Macierz translacji Macierz załamania Macierz załamania na powierzchni sferycznej Układ optyczny Interpretacja elementów A, B, C i D Wiazki gaussowskie Przybliżenie wolno zmiennej obwiedni Wiazka gaussowska Transformacja wiazki gaussowskiej przez soczewkę Wiazki gaussowskie wyższych rzędów Wyznaczanie parametrów wiazki gaussowskiej Literatura 98 II. WYBRANE LASERY Lasery gazowe Metody wzbudzania gazu Laser He Ne Lasery molekularne Laser CO Lasery ekscymerowe Lasery cieczowe Diagram Jabłońskiego Czynniki zewnętrzne, a luminescencja barwników 122 VI

4 2.3. Równania kinetyczne Próg ciagłej pracy lasera barwnikowego Strojenie laserów barwnikowych Lasery na ciele stałym Laser tytanowo-szafirowy Laser neodymowy Lasery na swobodnych elektronach Lasery półprzewodnikowe Podstawowe własności półprzewodników Elektrony i dziury. Masa efektywna Półprzewodniki domieszkowane Złacze p-n Rekombinacja elektron dziura Wzmocnienie w półprzewodnikach Rezonatory laserów półprzewodnikowych Wstęp Rezonatory wielozwierciadłowe Rezonatory ze zwierciadłem Bragga Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym Prad progowy lasera półprzewodnikowego Równania kinetyczne Nasycenie wzmocnienia Właściwości promieniowania lasera półprzewodnikowego Widmo emisji Rozkład przestrzenny promieniowania Lasery diodowe (homozłaczowe) Lasery heterozłaczowe Lasery niebieskie i UV Lasery na studniach kwantowych Lasery typu VCSEL Diody elektroluminescencyjne Uzupełnienia Podstawy pasmowej teorii ciał stałych Gęstość stanów elektronów (dziur) Zredukowana gęstość stanów Literatura 212 III. MODULACJA I MODULATORY ŚWIATŁA Wstęp Parametry modulatorów światła Modulacja zewnętrzna światła Modulatory elektrooptyczne 219 VII

5 Modulator Pockelsa Modulator Kerra Modulatory magnetooptyczne Modulatory akustooptyczne Modulatory ciekłokrystaliczne Elektroabsorpcja Modulacja fazy Modulacja wewnętrzna światła Modulacja pradowa w diodach elektroluminescencyjnych Modulacja pradowa w laserach półprzewodnikowych Impulsy gigantyczne Metody zmian dobroci wnęki Opis generacji gigantycznej Modulacja wnęki o dużej dobroci Synchronizacja modów podłużnych Synchronizacja modów przy modulacji amplitudy Synchronizacja modów przy modulacji fazy Metody realizacji synchronizacji modów podłużnych Modulacja częstotliwości w laserach Selekcja modów, strojenie laserów Selekcja modów poprzecznych Selekcja modów podłużnych Strojenie laserów o szerokim paśmie wzmocnienia Generacja drugiej harmonicznej Modulatory światłowodowe Uzupełnienia Ośrodki anizotropowe Inykatrysa optyczna Dwójłomność Przykłady obliczeńwymuszonej dwójłomności Efekt Pockelsa Efekt Kerra w ośrodkach izotropowych Efekt akustooptyczny Literatura 295 VIII

6 IV. ŚWIATŁOWODY Wstęp Model zygzakowy Stała propagacji Równanie charakterystyczne Liczba modów Teoria falowa Falowody planarne Mody TE Mody TM Światłowody paskowe Światłowody cylindryczne Światłowody gradientowe Równanie promienia w światłowodach parabolicznych Fale w falowodzie gradientowym Metoda WKB Właściwości transmisyjne falowodów Straty (tłumienność) Dyspersja Światłowody aktywne Elementarny opis wzmacniacza światłowodowego Propagacja impulsów we wzmacniaczach Światłowody dwójłomne Światłowody z kryształów fotonicznych Elementy techniki Wytwarzanie światłowodów Metoda wielotyglowa Metoda preformowa Wyciaganie światłowodów Pomiary charakterystyk Wstęp Pomiar tłumienności Pomiar rozkładu współczynnika załamania Pomiar średnicy włókna Pomiar apertury numerycznej Pomiar dyspersji 5.3. Reflektometr Sprzęgacze światłowodowe Sprzęganie czołowe Sprzęganie boczne 398 IX

7 Sprzęgacze kierunkowe Modulatory światłowodowe Soczewki światłowodowe Polaryzatory światłowodowe Cyrkulatory optyczne Metody wytwarzania światłowodowych siatek Bragga Uzupełnienia Równania (wzory) Fresnela Całkowite wewnętrzne odbicie Fale zanikajace Efekt Goosa Hänchena Równania Maxwella Polaryzacja światła Fala elektromagnetyczna w próżni Fala elektromagnetyczna w dielektrykach Fala elektromagnetyczna wośrodkach przewodzacych Typy fal Równania Helmholtza dla falowodu planarnego Wyprowadzenie równania promienia Literatura 446 V. DETEKTORY ŚWIATŁA Wstęp Parametry fotodetektorów Szum Szum śrutowy Szum Johnsona (Nyquista) Szum generacyjno-rekombinacyjny i szum 1/f Inne rodzaje szumów Detektory termiczne Wstęp Detektory piroelektryczne Bolometry Inne detektory termiczne Detektory fotonowe Wstęp Fotopowielacze Fotodiody p-n i fotoogniwa Fotodiody p-i-n Fotodiody lawinowe 476 X

8 5.6. Diody Schottky ego Fotorezystory Fototranzystory Detektory z supersieciami Diody lawinowe. Powielanie w supersieciach Fotorezystory z supersieciami Przyrzady CCD i CMOS Detektor CCD Detektor CMOS Wzmacniacze obrazu Uzupełnienia Oko Zależność polaryzacji spontanicznej od temperatury 7.3. Stosunek sygnału do szumu (SNR) Czas odpowiedzi detektora p-n Transoptory Fotodiody kwadrantowe Detekcja koherentna Literatura 520 VI. WYŚWIETLACZE Wstęp Podstawowe parametry wyświetlaczy Typy wyświetlaczy Wyświetlacze plazmowe Wyświetlacze elektroluminescencyjne Wyświetlacze katodoluminescencyjne Wyświetlacze ciekłokrystaliczne Projektory Literatura 556 VII. WYBRANE ZASTOSOWANIA Medycyna Wstęp Chirurgia Onkologia Okulistyka Stomatologia Dermatologia Biostymulacja i akupunktura Kosmetyka Literatura Tomografia optyczna Ekologia 574 XI

9 3.1. Badanie atmosfery Lidary rozproszeniowe Lidary absorpcyjne Lidary fluorescencyjne Lidary dopplerowskie Badanie wód Badania meteorologiczne Literatura Telekomunikacja Wstęp Telekomunikacja światłowodowa Telekomunikacja na łaczach otwartych Parametry transmisji Błędy transmisji Literatura Pamięć optyczna Zapisywanie w trakcie produkcji Pamięć jednokrotnego zapisu Pamięć wielokrotnego zapisu Literatura Optyka zintegrowana Literatura Czujniki światłowodowe Czujniki zmiany natężenia światła Czujniki zmiany długościiczęstotliwości fali Czujniki zmiany polaryzacji światła Czujniki zmiany fazy światła Żyroskopy optyczne Żyroskop światłowodowy Żyroskop laserowy Literatura Czytnik kodów paskowych Literatura 621 VIII. DODATKI Bezpieczeństwo pracy z laserami Wstęp Podział na klasy Normy bezpieczeństwa Literatura Zagadnienia metrologiczne światła Wstęp Fotometria obiektywna 632 XII

10 2.3. Fotometria efektywna Kolorymetria Uzupełnienia Międzynarodowa krzywa czułości oka Wyznaczenie współczynnika przeliczeniowego Wielkości radiometryczne i fotometryczne Moc optyczna w [db] Literatura Tabele 652 INDEKS 653