ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Особенности излучения электромагнитных волн В ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах

Современная оптоэлектроника использует в качестве источников излучения полупроводни­ковые, твердотельные и газовые оптические квантовые генераторы (ОКГ). Излучателями света в ОКГ являются либо возбужденные валентные электроны атомов (газовые ОКГ), ли­бо электроны проводимости (полупроводниковые ОКГ). В первом случае переход ва­лентного электрона из возбужденного состояния в невозбужденное сопровождается излуче­нием фотона с энергией

£Ф=М/, (2.24)

Где А — постоянная Планка; V — частота соответствующей фотону микроволны.

Во втором случае излучение фотона происходит в процессе рекомбинации электрона проводимости с дыркой, расположенной в валентной зоне. В обоих случаях время перехода электрона из возбужденного состояния в невозбужденное конечно и составляет величину т„~ 108 с. Время излучения фотона в процессе указанного перехода много меньше, чем т„ и составляет величину тф = 10'15 с, для X = 1,5 мкм. Условное соотношение между т„ и тф по­казано на рис. 2.8.

За время тп излучается множество фотонов //ф, которое определяется количеством воз­бужденных электронов в газе или твердом теле. Всегда найдутся фотоны, имеющие одина­ковую частоту V, с которой изменяется их поле Е(/). Последовательность таких фотонов образует волновой цуг (рис. 2.9).

Нетрудно видеть, что согласно рис. 2.9, время самовоспроизведения фотона тф одного порядка с периодом Т возникшей электромагнитной волны.

Любой ОКГ за время тк (см. рис. 2.9) излучает не единственный цуг, а множество цугов с незначительно отличающимися частотами. Накладываясь во времени и пространстве, цуги образуют волновой пакет. Внутри последнего цуги интерферируют. В результате интерфе­
ренции возникают биения векторов Ё как результат сложения колебаний с близкими часто­тами. Заметим, что волновой цуг распространяется с фазовой скоростью

У^=с/п = (о/к,

Где п — абсолютный показатель преломления в среде распространения волны; с » 3 • 108 м/с —

Скорость света в вакууме.

Волновой пакет распространяется с групповой скоростью

Уг = да/дк = Уф + ёУф /ёк, (2.26)

Где ёКф!&к —дисперсия фазовой скорости.

Реальное оптическое излучение, генерируемое ОКГ, представляет собой поток волно­вых пакетов, отличающийся от идеальной МЭВ, определенной выше.

Введем понятие когерентности оптического излучения как меры приближения реаль­ного излучения к идеальной МЭВ.

Различают временную когерентность и пространственную.

Основной характеристикой временной когерентности является время когерентности тк. К характеристикам пространственной когерентности относятся: длина когерентности /к, «радиус» когерентности рк и объем когерентности Ук.

Понятие когерентности не следует путать с понятием когерентных волн.

По определению, две волны называются когерентными, если они имеют одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз. Из вышесказанного очевидно, что для ре­ального оптического излучения понятие когерентных волн является идеализированной мо­делью.