Uniwersytet Mikołaja Kopernika Bernard Ziętek OPTOELEKTRONIKA Wydanie III, uzupełnione i poprawione Toruń 2011
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 11 1. Wstęp 11 2. Współczynniki Einsteina 16 3. Szerokość widmowalinii 17 3.1. Poszerzenie jednorodne 20 3.2. Poszerzenie niejednorodne dopplerowskie 21 3.3. Inne przyczyny poszerzenia linii widmowych 22 4. Współczynnik wzmocnienia 23 5. Pompowanie 25 5.1. Schemat dwupoziomowy 25 5.2. Schemat trójpoziomowy 27 5.3. Schemat czteropoziomowy 29 6. Nasycenie wzmocnienia 30 7. Rezonatory optyczne 34 7.1. Stabilność rezonatorów 36 7.2. Liczba modów rezonatora optycznego 39 7.3. Wiazki gaussowskie w rezonatorach 43 8. Próg akcji laserowej 45 9. Równania kinetyczne lasera 47 10. Rozwiazania stacjonarne 49 11. Szerokość spektralna linii 54 12. Moc wyjściowa laserów 57 V
12.1. Wstęp 57 12.2. Lasery liniowe 58 12.2.1. Małe wzmocnienie 58 12.2.2. Duże wzmocnienie 61 12.3. Lasery pierścieniowe 66 13. Uzupełnienia 66 13.1. Właściwości światła laserowego 66 13.1.1. Rozbieżność wi azki 66 13.1.2. Monochromatyczność 66 13.1.3. Gęstość mocy i luminancja 67 13.1.4. Spójność światła laserowego 67 13.2. Rozkład Plancka 72 13.3. Poszerzenie naturalne linii emisji (jednorodne) 75 13.4. Poszerzenie dopplerowskie linii emisji (niejednorodne) 76 13.5. Optyka macierzowa 76 13.5.1. Macierz translacji 78 13.5.2. Macierz załamania 78 13.5.3. Macierz załamania na powierzchni sferycznej 79 13.5.4. Układ optyczny 80 13.5.5. Interpretacja elementów A, B, C i D 82 13.6. Wiazki gaussowskie 84 13.6.1. Przybliżenie wolno zmiennej obwiedni 85 13.6.2. Wiazka gaussowska 86 13.6.3. Transformacja wiazki gaussowskiej przez soczewkę 90 13.6.4. Wiazki gaussowskie wyższych rzędów 93 13.6.5. Wyznaczanie parametrów wiazki gaussowskiej 96 14. Literatura 98 II. WYBRANE LASERY 100 1. Lasery gazowe 100 1.1. Metody wzbudzania gazu 100 1.2. Laser He Ne 103 1.3. Lasery molekularne 108 1.3.1. Laser CO 2 111 1.3.2. Lasery ekscymerowe 114 2. Lasery cieczowe 116 2.1. Diagram Jabłońskiego 118 2.2. Czynniki zewnętrzne, a luminescencja barwników 122 VI
2.3. Równania kinetyczne 125 2.4. Próg ciagłej pracy lasera barwnikowego 129 2.5. Strojenie laserów barwnikowych 132 3. Lasery na ciele stałym 132 3.1. Laser tytanowo-szafirowy 133 3.2. Laser neodymowy 135 4. Lasery na swobodnych elektronach 139 5. Lasery półprzewodnikowe 150 5.1. Podstawowe własności półprzewodników 151 5.1.1. Elektrony i dziury. Masa efektywna 152 5.1.2. Półprzewodniki domieszkowane 155 5.1.3. Złacze p-n 156 5.1.4. Rekombinacja elektron dziura 162 5.2. Wzmocnienie w półprzewodnikach 167 5.3. Rezonatory laserów półprzewodnikowych 169 5.3.1. Wstęp 169 5.3.2. Rezonatory wielozwierciadłowe 170 5.3.3. Rezonatory ze zwierciadłem Bragga 174 5.3.4. Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym 178 5.4. Prad progowy lasera półprzewodnikowego 179 5.5. Równania kinetyczne 180 5.6. Nasycenie wzmocnienia 183 5.7. Właściwości promieniowania lasera półprzewodnikowego 185 5.7.1. Widmo emisji 185 5.7.2. Rozkład przestrzenny promieniowania 186 5.8. Lasery diodowe (homozłaczowe) 187 5.9. Lasery heterozłaczowe 189 5.10. Lasery niebieskie i UV 191 5.11. Lasery na studniach kwantowych 192 5.12. Lasery typu VCSEL 194 5.13. Diody elektroluminescencyjne 195 5.14. Uzupełnienia 200 5.14.1. Podstawy pasmowej teorii ciał stałych 200 5.14.2. Gęstość stanów elektronów (dziur) 207 5.14.3. Zredukowana gęstość stanów 210 6. Literatura 212 III. MODULACJA I MODULATORY ŚWIATŁA 214 1. Wstęp 214 2. Parametry modulatorów światła 217 3. Modulacja zewnętrzna światła 219 3.1. Modulatory elektrooptyczne 219 VII
3.1.1. Modulator Pockelsa 221 3.1.2. Modulator Kerra 229 3.2. Modulatory magnetooptyczne 232 3.3. Modulatory akustooptyczne 236 3.4. Modulatory ciekłokrystaliczne 239 3.5. Elektroabsorpcja 240 3.6. Modulacja fazy 240 4. Modulacja wewnętrzna światła 243 4.1. Modulacja pradowa w diodach elektroluminescencyjnych 243 4.2. Modulacja pradowa w laserach półprzewodnikowych 246 4.3. Impulsy gigantyczne 250 4.3.1. Metody zmian dobroci wnęki 250 4.3.2. Opis generacji gigantycznej 252 4.4. Modulacja wnęki o dużej dobroci 255 4.5. Synchronizacja modów podłużnych 256 4.5.1. Synchronizacja modów przy modulacji amplitudy 256 4.5.2. Synchronizacja modów przy modulacji fazy 258 4.5.3. Metody realizacji synchronizacji modów podłużnych 259 4.6. Modulacja częstotliwości w laserach 262 4.7. Selekcja modów, strojenie laserów 263 4.7.1. Selekcja modów poprzecznych 264 4.7.2. Selekcja modów podłużnych 264 4.7.3. Strojenie laserów o szerokim paśmie wzmocnienia 266 5. Generacja drugiej harmonicznej 277 6. Modulatory światłowodowe 281 7. Uzupełnienia 281 7.1. Ośrodki anizotropowe 281 7.1.1. Inykatrysa optyczna 283 7.1.2. Dwójłomność 289 7.2. Przykłady obliczeńwymuszonej dwójłomności 291 7.2.1. Efekt Pockelsa 291 7.2.2. Efekt Kerra w ośrodkach izotropowych 294 7.2.3. Efekt akustooptyczny 294 8. Literatura 295 VIII
IV. ŚWIATŁOWODY 298 1. Wstęp 298 2. Model zygzakowy 300 2.1. Stała propagacji 301 2.2. Równanie charakterystyczne 302 2.3. Liczba modów 308 3. Teoria falowa 311 3.1. Falowody planarne 311 3.1.1. Mody TE 311 3.1.2. Mody TM 317 3.2. Światłowody paskowe 318 3.3. Światłowody cylindryczne 324 3.4. Światłowody gradientowe 333 3.4.1. Równanie promienia w światłowodach parabolicznych 334 3.4.2. Fale w falowodzie gradientowym 335 3.5. Metoda WKB 338 4. Właściwości transmisyjne falowodów 343 4.1. Straty (tłumienność) 343 4.2. Dyspersja 347 4.3. Światłowody aktywne 355 4.3.1. Elementarny opis wzmacniacza światłowodowego 357 4.3.2. Propagacja impulsów we wzmacniaczach 360 4.4. Światłowody dwójłomne 365 4.5. Światłowody z kryształów fotonicznych 368 5. Elementy techniki 374 5.1. Wytwarzanie światłowodów 374 5.1.1. Metoda wielotyglowa 375 5.1.2. Metoda preformowa 375 5.1.3. Wyciaganie światłowodów 379 5.2. Pomiary charakterystyk 382 5.2.1. Wstęp 382 5.2.2. Pomiar tłumienności 383 5.2.3. Pomiar rozkładu współczynnika załamania 384 5.2.4. Pomiar średnicy włókna 387 5.2.5. Pomiar apertury numerycznej 388 5.3.6. Pomiar dyspersji 5.3. Reflektometr 391 5.4. Sprzęgacze światłowodowe 391 5.4.1. Sprzęganie czołowe 392 5.4.2. Sprzęganie boczne 398 IX
5.4.3. Sprzęgacze kierunkowe 401 5.5. Modulatory światłowodowe 405 5.6. Soczewki światłowodowe 409 5.7. Polaryzatory światłowodowe 411 5.8. Cyrkulatory optyczne 413 5.8. Metody wytwarzania światłowodowych siatek Bragga 417 6. Uzupełnienia 419 6.1. Równania (wzory) Fresnela 419 6.2. Całkowite wewnętrzne odbicie 422 6.3. Fale zanikajace 424 6.4. Efekt Goosa Hänchena 426 6.5. Równania Maxwella 429 6.5.1. Polaryzacja światła 431 6.5.2. Fala elektromagnetyczna w próżni 437 6.5.3. Fala elektromagnetyczna w dielektrykach 438 6.5.4. Fala elektromagnetyczna wośrodkach przewodzacych 439 6.5.5. Typy fal 440 6.6. Równania Helmholtza dla falowodu planarnego 442 6.7. Wyprowadzenie równania promienia 443 7. Literatura 446 V. DETEKTORY ŚWIATŁA 449 1. Wstęp 449 2. Parametry fotodetektorów 450 3. Szum 453 3.1. Szum śrutowy 454 3.2. Szum Johnsona (Nyquista) 455 3.3. Szum generacyjno-rekombinacyjny i szum 1/f 456 3.4. Inne rodzaje szumów 456 4. Detektory termiczne 457 4.1. Wstęp 457 4.2. Detektory piroelektryczne 459 4.3. Bolometry 460 4.4. Inne detektory termiczne 462 5. Detektory fotonowe 453 5.1. Wstęp 463 5.2. Fotopowielacze 464 5.3. Fotodiody p-n i fotoogniwa 468 5.4. Fotodiody p-i-n 474 5.5. Fotodiody lawinowe 476 X
5.6. Diody Schottky ego 479 5.7. Fotorezystory 486 5.8. Fototranzystory 488 5.9. Detektory z supersieciami 488 5.9.1. Diody lawinowe. Powielanie w supersieciach 488 5.9.2. Fotorezystory z supersieciami 491 5.10. Przyrzady CCD i CMOS 493 5.10.1. Detektor CCD 494 5.10.2. Detektor CMOS 498 6. Wzmacniacze obrazu 501 7. Uzupełnienia 503 7.1. Oko 503 7.2. Zależność polaryzacji spontanicznej od temperatury 7.3. Stosunek sygnału do szumu (SNR) 510 7.4. Czas odpowiedzi detektora p-n 512 7.5. Transoptory 514 7.6. Fotodiody kwadrantowe 515 7.7. Detekcja koherentna 516 8. Literatura 520 VI. WYŚWIETLACZE 522 1. Wstęp 522 2. Podstawowe parametry wyświetlaczy 524 3. Typy wyświetlaczy 525 3.1. Wyświetlacze plazmowe 527 3.2. Wyświetlacze elektroluminescencyjne 531 3.3. Wyświetlacze katodoluminescencyjne 539 3.4. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne 541 4. Projektory 551 5. Literatura 556 VII. WYBRANE ZASTOSOWANIA 558 1. Medycyna 558 1.1. Wstęp 558 1.2. Chirurgia 563 1.3. Onkologia 564 1.4. Okulistyka 565 1.5. Stomatologia 567 1.6. Dermatologia 567 1.7. Biostymulacja i akupunktura 568 1.8. Kosmetyka 568 1.9. Literatura 569 2. Tomografia optyczna 569 3. Ekologia 574 XI
3.1. Badanie atmosfery 574 3.1.1. Lidary rozproszeniowe 574 3.1.2. Lidary absorpcyjne 578 3.1.3. Lidary fluorescencyjne 578 3.1.4. Lidary dopplerowskie 579 3.2. Badanie wód 579 3.3. Badania meteorologiczne 579 3.4. Literatura 580 4. Telekomunikacja 580 4.1. Wstęp 580 4.2. Telekomunikacja światłowodowa 584 4.3. Telekomunikacja na łaczach otwartych 585 4.4. Parametry transmisji 587 4.5. Błędy transmisji 589 4.6. Literatura 595 5. Pamięć optyczna 596 5.1. Zapisywanie w trakcie produkcji 600 5.2. Pamięć jednokrotnego zapisu 601 5.3. Pamięć wielokrotnego zapisu 602 5.4. Literatura 606 6. Optyka zintegrowana 606 6.1. Literatura 609 7. Czujniki światłowodowe 610 7.1. Czujniki zmiany natężenia światła 610 7.2. Czujniki zmiany długościiczęstotliwości fali 614 7.3. Czujniki zmiany polaryzacji światła 615 7.4. Czujniki zmiany fazy światła 616 7.5. Żyroskopy optyczne 617 7.5.1. Żyroskop światłowodowy 618 7.5.2. Żyroskop laserowy 619 7.6. Literatura 620 8. Czytnik kodów paskowych 620 8.1. Literatura 621 VIII. DODATKI 622 1. Bezpieczeństwo pracy z laserami 622 1.1. Wstęp 622 1.2. Podział na klasy 624 1.3. Normy bezpieczeństwa 626 1.4. Literatura 630 2. Zagadnienia metrologiczne światła 631 2.1. Wstęp 631 2.2. Fotometria obiektywna 632 XII
2.3. Fotometria efektywna 635 2.4. Kolorymetria 637 2.5. Uzupełnienia 648 2.5.1. Międzynarodowa krzywa czułości oka 648 2.5.2. Wyznaczenie współczynnika przeliczeniowego 649 2.5.3. Wielkości radiometryczne i fotometryczne 650 2.5.3. Moc optyczna w [db] 650 2.7. Literatura 651 3. Tabele 652 INDEKS 653