Categorías de dispositivos optoelectrónicos
Es difícil controlar rápidamente el proceso de radiación térmica de una fuente de luz como portador de información, pero el haz de luz que emite se puede modular, filtrar o procesar de otro modo para que el haz de luz transporte información durante su propagación. proceso. Las fuentes de luz luminosa distintas de la radiación térmica pueden transportar información de forma natural durante el proceso de propagación, pero lo que es más importante, transportan información durante el proceso de emisión. Generalmente se utilizan diodos emisores de luz de unión PN semiconductores que pueden funcionar a bajo voltaje, especialmente diodos emisores de luz semiconductores de alto brillo y láseres semiconductores. Tienen las ventajas de una respuesta rápida, fácil modulación, tamaño pequeño y alta intensidad de luz. El láser tiene buena monocromaticidad, coherencia, direccionalidad y alta intensidad, lo que resulta beneficioso para aplicaciones como las comunicaciones ópticas. Es decir, los convertidores fotoeléctricos y foto-ópticos se dividen en dos categorías: efecto fotoeléctrico y efecto térmico.
① Efecto fotoeléctrico: Se puede dividir en efecto fotoeléctrico externo y efecto fotoeléctrico interno. El efecto fotoeléctrico externo es el efecto de emisión de fotoelectrones y los dispositivos que utilizan este efecto son dispositivos electrónicos de vacío. Por ejemplo, en un tubo fotomultiplicador, su fotocátodo puede convertir la señal óptica en una señal eléctrica unidimensional (tiempo) Después de repetidas emisiones secundarias, la señal es mejorada por el electrodo multiplicador de electrones y luego sale del ánodo. La sensibilidad de este dispositivo es tan alta que incluso puede usarse para formar un contador de fotones para detectar fotones individuales. Se ha desarrollado un contador de fotones bidimensional (espacial) para detectar información óptica extremadamente débil. Otro ejemplo es el tubo intensificador de imágenes, que convierte los rayos X o los rayos ultravioleta en luz sensible al fotocátodo, o utiliza un fotocátodo sensible a los rayos infrarrojos para que la imagen de luz en el fotocátodo de imágenes emita los fotoelectrones correspondientes. Estos fotoelectrones bombardean la pantalla fluorescente después de obtener imágenes aceleradas, generando luz visible y emitiendo una imagen de luz más brillante. Es un dispositivo de conversión de luz a luz. Así funcionan los intensificadores de imágenes de rayos X o UV y los conversores de imágenes infrarrojas. Este dispositivo puede ampliar el rango de sensibilidad del ojo humano a bandas de ondas electromagnéticas. Los dispositivos que utilizan el efecto fotoeléctrico interno son dispositivos semiconductores. Sus principios fundamentales son la fotoconductividad y la fuerza electromotriz fotogenerada. Los detectores fotoconductores están fabricados a partir de un único semiconductor o diodo, llamado fotodiodo semiconductor. Cuando se expone a la luz, su resistencia cambia. Entre ellos, los fotodiodos suelen funcionar en condiciones de polarización inversa. Si el voltaje de polarización inversa es lo suficientemente alto, la corriente portadora a través de la unión PN refleja directamente la energía luminosa recibida por el detector por unidad de tiempo. Los fotodiodos también pueden funcionar sin polarización. En este momento, la exposición a la radiación generará una fuerza electromotriz en ambos extremos de la unión PN y su corriente de cortocircuito es proporcional a la potencia de radiación recibida. Los detectores de los sistemas de imágenes térmicas infrarrojas suelen ser fotoconductores. Los detectores más utilizados incluyen telururo de mercurio y cadmio, telururo de plomo y estaño y detectores de mercurio dopados con germanio. Todos deben funcionar a bajas temperaturas para reducir el ruido térmico del detector.
(2) Efecto térmico: los detectores que utilizan efectos térmicos generalmente se denominan detectores térmicos. Utilizan principalmente efectos como cambios de resistencia, generación de fuerza electromotriz termoeléctrica y cambios de polarización espontáneos causados por el aumento de temperatura del cuerpo. Objeto después de la irradiación de radiación Mida la potencia radiada. Todos estos detectores se utilizan en la banda infrarroja. La ventaja es que la capacidad de respuesta es independiente de la longitud de onda y también pueden detectar radiación de onda larga a temperatura ambiente, pero el tiempo de respuesta es mucho más largo que el de los detectores fotoeléctricos. Las principales características de la luz son la intensidad, el espectro, la polarización, el tiempo de emisión y la coherencia. Cuando el haz de luz se propaga, tiene las características de direccionalidad, divergencia o convergencia. La función del elemento de control es cambiar estas propiedades de la luz. Para desviar, enfocar y colimar los haces de luz se suelen utilizar espejos, lentes, prismas y divisores de haz. Los reflectores suelen estar hechos de películas metálicas o películas dieléctricas, que tienen un alto coeficiente de reflexión y selectividad. Los reflectores se pueden fabricar utilizando la reflexión total para inversión de imágenes, conversión de imágenes, división del haz y reflexión total. Para modificar otras propiedades del haz, los componentes comúnmente utilizados incluyen filtros, prismas, rejillas, polarizadores, cortadores ópticos, cristales electroópticos controlados por campos eléctricos y cristales líquidos.
El interruptor electroóptico no solo puede cambiar la intensidad y la polarización de la luz, sino también controlar la duración del paso de la luz. Es un dispositivo ampliamente utilizado. Su estructura consiste en colocar un cristal birrefringente entre dos polarizadores ortogonales y aplicar un campo eléctrico sobre el cristal, de modo que la dirección de polarización de la luz que pasa a través del cristal gire. El tamaño del ángulo de rotación depende de la intensidad de la electricidad. campo. Por lo tanto, la intensidad de la luz transmitida se puede cambiar ajustando la intensidad del campo eléctrico; cambiando el tiempo de acción del campo eléctrico se puede modular la duración de la luz.
Utilizando el efecto de difracción de las ondas sonoras sobre la luz, se puede controlar la frecuencia, intensidad y dirección de propagación del haz de luz. La interacción del sonido y la luz desvía el haz en condiciones cercanas a la difracción de Bragg. Cuando cambia la frecuencia de audio, el ángulo de desviación cambia proporcionalmente.
Cuando el efecto de difracción es pequeño, la intensidad de la luz difractada es proporcional a la intensidad de la onda sonora. Modulando la intensidad de la onda sonora con información, se puede modular la intensidad de la luz difractada mediante esta relación proporcional. Este método de control se ha utilizado ampliamente en los campos de la transmisión óptica, la visualización y el procesamiento de información.
En los sistemas de procesamiento óptico digital, la clave está en desarrollar transistores ópticos o dispositivos ópticos biestables. Los dispositivos ópticos biestables que se han desarrollado se pueden dividir en dos categorías: intrínsecos o totalmente ópticos e híbridos optoelectrónicos. En términos generales, este dispositivo consta de un medio no lineal, un sistema de retroalimentación y una fuente de luz. Los estados alto y bajo de intensidad de luz emitida pueden considerarse estados "encendido" y "apagado", respectivamente. Los fototransistores pueden realizar amplificación, modulación, limitación y conformación de la luz, y pueden formar puertas lógicas ópticas.
El almacenamiento óptico, incluidos los discos ópticos y las películas holográficas de almacenamiento ultramicro, se puede utilizar para la grabación de vídeo óptico y el almacenamiento de información de gran capacidad, así como para el almacenamiento de libros y materiales. Utilizado para generar señales ópticas analógicas, símbolos digitales e imágenes ópticas, se puede dividir en dispositivos de vacío y dispositivos sin vacío. Los primeros incluyen tubos de haz de electrones, lámparas fluorescentes catódicas de bajo voltaje y bombillas incandescentes. Estos últimos incluyen diodos emisores de luz, pantallas electroluminiscentes, dispositivos de visualización de plasma y cristal líquido. A excepción de la pantalla LCD, que requiere iluminación ambiental y es una pantalla pasiva, las demás pueden emitir luz y son pantallas activas. Hay dos métodos de visualización: ① Utilice segmentos de línea para combinar los números, símbolos o patrones que se mostrarán. Por ejemplo, utilice siete imágenes para deletrear números y símbolos. La mayoría de las pantallas LED o LCD se utilizan en calculadoras, medidores digitales, etc. Adopte este enfoque. (2) Seleccione algunas unidades apropiadas en la matriz multivariada para formar los caracteres o patrones requeridos. Estas unidades pueden ser lámparas incandescentes, diodos emisores de luz, pantallas electroluminiscentes y cristales líquidos. Esta es una pantalla cruzada matricial sin escala de grises.
Los tubos de imagen de televisión en blanco y negro y en color se utilizan ampliamente en la tecnología de imágenes. CRT utiliza un haz de electrones de barrido para bombardear una pantalla fluorescente, produciendo una imagen en blanco y negro o en color. Los dispositivos de conversión óptico-óptico antes mencionados, como los intensificadores de imágenes y los convertidores de imágenes, también son dispositivos de formación de imágenes. Alternativamente, se pueden usar múltiples matrices con niveles de brillo, por ejemplo en pantallas planas sólidas o pantallas de imágenes, usando dos juegos de electrodos ortogonales. Cuando se aplica una diferencia de potencial suficientemente alta a la intersección de dos electrodos ortogonales, se forma un punto emisor de luz. Es un píxel y muchos píxeles de diferentes colores forman una imagen. Con esta estructura se fabrican pantallas electroluminiscentes, pantallas de cristal líquido y pantallas de plasma.