Przemysław CEYNOWA Wydział Elektroniki i Informatyki, Politechnika Koszalińska E-mail: przemysław.ceynowa@gmail.com Opracowanie bloku scalania światła do dyskretnego pseudomonochromatora wzbudzającego Streszczenie: W pracy zbadano możliwości realizacji dyskretnego pseudomonochromatora wzbudzającego realizującego skupianie kilku wiązek świetlnych o różnych długościach fali (pochodzących od diod LED i laserowych), stosowanych do punktowego wzbudzenia badanego materiału lub struktury półprzewodnikowej z sekwencyjnym przełączeniem długości fali wzbudzającej wiązki. Realizacja dokonana została na biernym elemencie szklanym, którego podstawowe parametry zmierzono na specjalnie przystosowanym stanowisku pomiarowym. Opracowując do własnych potrzeb metodę pomiarową wyznaczono: straty przy przejściu, wpływ kąta padania na prowadzenie w ośrodku oraz wpływ położenia prostopadłego wiązki świetlnej. Ustalono przydatność wybranego elementu do zastosowania i zweryfikowano drogę rozwoju. 1. Wprowadzenie Pseudomonochromator dyskretny [1] to urządzenie, na wyjściu którego otrzymujemy światło monochromatyczne o różnych nielosowych długościach fali. Urządzenia tego typu mogą być skutecznie wykorzystane do sekwencyjnego wzbudzania półprzewodnikowych obiektów w celu wyznaczania ich parametrów na zasadzie pomiaru widma odpowiedzi we względnie szerokim zakresie widmowym w sytuacji braku potrzeby wysokie rozdzielczości spektralnej oraz dużej ilości punktów pomiarowych. Typowym przykładem do zastosowań pseudomonochromatora może być metoda wyznaczania długości drogi dyfuzji nośników L d oparta na pomiarach widma fotonapięcia powierzchniowego [2] w której zamiana tradycyjnego monochromatora na pseudomonochromator dyskretny powinna dać możliwości do bardzo szybkiego pomiaru widmowego w pojedynczym punkcie pomiarowym i w konsekwencji do szybkiego otrzymywania rozkładu mierzonego parametru po powierzchni badanych płytek lub struktur. Ponieważ na danym etapie planowanymi obiektami do badań z zastosowaniem wzbudzenia optycznego są materiały i struktury krzemowe wybrany zakres widmowy mieścił się w zakresie od 380 nm do 1200 nm. 14
W opracowanej koncepcji budowy wyróżnić można zasadniczo dwa główne elementy: generator światła monochromatycznego oraz tor optyczny. Generator światła monochromatycznego stanowi sterowane źródło światła generujące różne długości fali, w projektowanej wersji z zakresu od 380 nm do 1100 nm. Realizacja toru optycznego oparta została na stworzeniu systemu łączącego kilka wejść optycznych w jedno wyjście (lub dwa, gdzie drugie służyć będzie do kontroli parametrów fali świetlnej). Zasadniczym problemem pojawiającym się przy realizacji założeń toru optycznego jest skupiane światła różnych długości fal świetlnych. Do tego celu konieczne jest opracowanie bloku scalania światła, czemu poświęcona jest niniejsza publikacja. Dokonano próby doboru elementów szklanych mogących spełniać te założenia. Zweryfikowano pomiarowo ich przydatność pod tym kątem. Uzyskane wyniki zweryfikowały podejście do zagadnienia i słuszność koncepcji. 2. Cel i zakres Celem niniejszej pracy jest opracowanie i zbadanie bloku scalania światła do pseudomonochromatora wzbudzającego. Zakres prowadzonych działań obejmuje dobór odpowiednich elementów optycznych realizujących funkcję scalania wiązek światła z zakresu długości fal od 380 nm do 1200 nm. Ocenę przydatności dokonano na podstawie przeprowadzonych pomiarów. Zmierzono: straty przy przejściu, wpływ kąta padania na prowadzenie w ośrodku, wpływ położenia prostopadłego wiązki świetlnej oraz zależność tłumienia od długości fali świetlnej. Wyniki przedstawiono w postaci tabelarycznej i na wykresach. 3. Metodyka badań Optyczne elementy skupiające Do celów badawczych wykorzystano dwa elementy szklane (patrz rysunek 1 i 2) zaprojektowane i wykonane w Katedrze Promieniowania Optoelektrycznego Politechniki Białostockiej o kształcie jak pokazano na rysunku 1, przy tym średnice okien wyjściowych dla elementów nr 1 i nr 2 wynosiły 16 mm i 12 mm, a wyjściowych odpowiednio 5 mm i 3 mm. Na rysunku 1 przedstawiono wymiary elementu nr 1. Rys. 1. Zwymiarowany element szklany 1 Testowane elementy wzbudzające Skupianie kilku wiązek optycznych wymaga użycia źródeł światła o możliwie wąskim kącie emisyjnym. Dostępne na rynku diody laserowe mimo odpowiednich parametrów nie 15
są w stanie w wystarczającym stopniu pokryć zakładanego widma długości fal (380 nm 1200 nm). W związku z tym na obecnym etapie badań, w wybranym zakresie widmowym wykorzystano do realizacji zestaw diód LED o różnych kątach rozchodzenia wiązki optycznej. Dobrane w sposób możliwie zapełniający zadany zakres widmowy. Mierzone parametry Scalanie wiązek światła ze źródeł o względnie szerokim kącie emisji nie jest prostym zagadnieniem i wymaga użycia elementów optycznych o dużym kącie akceptacji. Czynnikami określającymi stopień przydatności elementów optycznych do takiego wykorzystania powinny być głównie: wspomniany wcześniej kąt akceptacji, tłumienie oraz stopień skupiania prowadzonych w nim wiązek światła. Metodyka jak i określenie tych parametrów wymagało stworzenia specjalnej metody badawczej. Zmierzono: straty przy wiązce padającej prostopadle na płaszczyznę przekroju w centralnym jej punkcie oraz straty przy wiązce padającej prostopadle do płaszczyzny przekroju w różnych punktach, straty przy wiązce świetlnej padającej pod różnym kątem do płaszczyzny przekroju. Powyższe pomiary zrealizowano na specjalnie przygotowanym stanowisku. Układ pomiarowy Schemat układu do pomiarów strat energii świetlnej opierał się na dwóch głównych elementach: źródle światła, którego rolę pełni dioda laserowa o długości 650 nm (moc około 3 mw) oraz detektorze, którego rolę pełniła fotodioda BPW 34. Dioda laserowa 650 nm Detektor Rys. 2. Pomiar strat przy wiązce światła padającej prostopadle w różnych punktach Zmierzono także zależność tłumienia od długości fali świetlnej przy niezmiennym układzie geometrycznym wprowadzenia światła do elementów skupiających, z zastosowaniem monochromatora. 4. Wyniki pomiarów Wyznaczenie współczynnika tłumienia dla światła o długości fali 660 nm padającej prostopadle w osi elementu, wiązało się z porównaniem napięcia referencyjnego (V ref ) wiązki padającej bezpośrednio, do napięcia po przejściu przez badany element (V p ). Okazało się że w takiej konfiguracji straty wynoszą około 0,16 db (patrz tabela 1) dla elementu 1 i około 0,12 db dla elementu 2 (patrz tabela 2). 16
Tabela 1. Wyniki pomiaru straty po przejściu przez element 1 Lp. V ref [V] V p [V] Strata [db] 1 0,520 0,502 0,153 2 0,519 0,500 0,162 3 0,517 0,498 0,163 4 0,523 0,505 0,152 5 0,521 0,503 0,153 Decydujący wpływ na wynik miał kształt geometryczny elementu. Pomiar tłumienia dla wiązek wprowadzanych prostopadle, wskazuje jednoznacznie, że jej położenie mocno wpływa na ten parametr. Wiązka padająca w osi elementu tłumiona jest w najmniejszym stopniu tj. 0,16 db dla elementu 1 i 0,12 db odpowiednio dla elementu 2. Wyniki porównywalne z uzyskanymi w serii poprzednich pomiarów (tabela 1). Wraz z oddalaniem się od osi obserwujemy wzrost tłumienia aż do wartości maksymalnych na krawędziach przekroju (tabela 3). Tabela 2. Wyniki pomiaru straty po przejściu przez element 2 Lp. V ref [V] V p [V] Strata [db] 1 0,520 0,506 0,119 2 0,519 0,504 0,127 3 0,517 0,503 0,119 4 0,523 0,509 0,118 5 0,521 0,506 0,127 Tabela 3. Tłumienie wiązki padającej prostopadle w różnych punktach Lp. Punkt 1 [V] Punkt 2 [V] Punkt 3 [V] Różnica 1-2 Różnica 1-3 [db] [db] 1 0,502 0,489 0,500 0,114 0,017 2 0,500 0,486 0,499 0,123 0,009 3 0,498 0,484 0,496 0,124 0,017 4 0,505 0,491 0,504 0,122 0,009 5 0,503 0,489 0,500 0,123 0,026 Opis położenia punktów pomiarowych: Punkt 1 w osi głównej elementu szklanego, Punkt 2 na krawędzi przekroju wejściowego, Punkt 3 w położeniu pośrednim pomiędzy osią a krawędzią (w połowie odległości). Przeprowadzono pomiary tłumienia wiązek światła wprowadzanych do elementów szklanych pod różnymi kątami. Wyznaczono tym samym wpływu kąta padania wiązki światła od jej tłumienia w elemencie szklanym 1 i 2. Wyniki przedstawiono na wykresach poniżej (rysunki 3 i 4). Poziom zerowy tłumienia ustalony jest w tym przypadku dla wiązki padającej prostopadle w osi obu elementów. Stopniowa zmiana kąta wprowadzanej wiązki powodował obniżenie sygnału wyjściowego rejestrowanego detektorem. W taki sposób wyznaczono spadek sygnału w zależności od zmiany kąta jego padania λ [ ]. 17
Za pomocą opracowanej metody badawczej udało się zmierzyć podstawowe parametry optyczne posiadanych elementów szklanych. Umożliwiło to ocenę przydatności użycia takiego typu elementów w bloku scalania światła dla pseudomonochromatora wzbudzającego. Wiązka padająca prostopadle w osi elementu wykazywała niewielkie tłumienia charakterystyczne dla materiału i jego wymiarów, odpowiednio około 0,16 db dla elementu 1 i około 0,12 db dla elementu 2. Zmiana położenia względem osi ukazała charakterystykę parabolicznego profilu budowy, tłumienie rosło wraz z oddalaniem się od osi. Pomiary wykazały iż najkorzystniejsza jest konfiguracja gdy wiązka pada w osi elementu. 23,243 Tłumienie światła wprowadzanych do elementu szklanego 1 pod różnymi kątami 25 23,243 20 [db] 15,461 14,212 15 13,700 15,461 8,472 10 10,938 Spadek [db] 3,200 1,424 5 1,396 0 3,420-45 -37,5-30 -22,5-15 -7,5 0 7,5 15 22,5 30 37,5 45 Kąt λ[ ] Rys. 3. Tłumienie światła wprowadzanych do elementu szklanego 1 pod różnymi kątami Badania zależności kąta padania wiązki od jej tłumienia w elemencie wykazały, że wartości tłumienia są minimalne dla kąta możliwie prostopadłego do płaszczyzny są najmniejsze i wynoszą około 4 db. Wraz ze wzrostem kąta rośnie tłumienie prowadzonej wiązki, które w tym momencie wskazuje jaka jej część jest skutecznie prowadzona. Istotny dla prowadzenia jest współczynnik jej wewnętrznego odbicia, który wiąże się istotnie z parabolicznym profilem budowy. Potwierdza to zasadność użycia parabolicznego profilu do skupiania wiązek lecz w odwróconym do przedstawionego charakterze. Badania zależności widmowej tłumienia światła w zastosowanych elementach nie wykazały zauważalnej dyspersji chromatycznej, w wybranej geometrii pomiarowej tłumienie wynosiło około 0,24 db. 18
Tłumienie światła wprowadzanych do elementu szklanego 2 pod różnymi kątami 4 3,106 3,000 2,958 2,521 3 3 3,106 3,000 2,937 2,774 Tłumienie [db] 1,353 2 2 1 1,426 Spadek [db] 0,673 0,661 1 Rys. 4. Tłumienie światła wprowadzanych do elementu szklanego 2 pod różnymi kątami Przeprowadzone badania dają podstawy do wyznaczania parametrów geometrycznych ustawienia zestawu wzbudzających diód półprzewodnikowych w stosunku do bloku scalania światła do projektowania bloku scalania światła do dyskretnego pseudomonochromatora wzbudzającego. Jeśli przyjąć założenie, że przy diodach o średniej mocy wyjściowej 10 mw i pożądanej mocy wejściowej za układem scalania na poziomie 1 mw, to apertura kątowa wejściowa dla zastosowanych elementów scalania może osiągać 20 o. Taki parametr apertury wejściowej powinien umożliwić bezproblemowe wprowadzenie do elementu scalającego światła od 10-12 diód wzbudzających, tak LED jak i laserowych. Autor pragnie podziękować prof. dr hab. Janowi Doroszowi z Politechniki Białostockiej za udostępnienie koncentratorów optycznych o specjalnym kształcie. Literatura 0-45 -37,5-30 -22,5-15 -7,5 0 7,5 15 22,5 30 37,5 45 Kąt λ[ ] 1. D. Straub, V. Dose and W. Altmann, Investigation of intrinsic unoccupied surface states at GaP(110) by inverse photoemission, Surface Science, Volume 133, Issue 1, 1983, pp. 9-14. 2. Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductors by Measurement of Steady-State Surface Photovoltage (Withdrawn 2003), The ASTM Standards and Engineering Digital Library, ASTM F391-02 19