WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

«Оптическая запись, воспроизведение и хранение информации (Б.2.B.ДВ.2.3) Лабораторная работа № 2 Направление: 210400.62 (11.03.01) ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ

Кафедра Радиофотоники и микроволновых технологий

Оптическая запись, воспроизведение и хранение информации (Б.2.B.ДВ.2.3) Лабораторная работа № 2 Направление: 210400.62 (11.03.01) РАДИОТЕХНИКА (ФГОС-3)

ПРОФИЛЬ АУДИОВИЗУАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Квалификация: ПРИКЛАДНОЙ БАКАЛАВР Форма обучения: очная Казань 2014 Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ Кафедра Радиофотоники и микроволновых технологий Лабораторная работа № 2 Исследование характеристики лазерного диода СД проигрывеля Для бакалавров дневной формы образования КАЗАНЬ 2014 УДК 621.397 Составил: Н.В. Дорогов, Оптическая запись, воспроизведение и хранения информации: Методические указания к лабораторной работу № 2по курсу «Оптическая запись, воспроизведение и хранения информации / Сост. Дорогов Н.В.

Казань:. 10 с.

Определены задачи лабораторных исследований и порядок их выполнения. Приведены контрольные вопросы.

Предназначено для изучения бакалаврами направления 210400.62 (11.03.01) «Радиотехника», очной формы обучения в технических университетах.

Лабораторная работа № 2 Исследование лазерного диода СД проигрывателя Цель работы исследование вольтамперной характеристики лазерного диода компакт проигрывателя предназначенного для считывания информации с оптического диска.

Домашнее задание: по материалам лекций практики и данной работе необходимо изучить принципы записи цифровой информации на оптический диск.

УСТРОЙСТВО И НАЗНАЧЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЗВУКОСНИМАТЕЛЯ ПРОИГРЫВАТЕЛЕЙ

КОМПАКТ-ДИСКОВ Знакомство с узлами и схемами проигрывателя КД начинается с головки воспроизведения ГВ – лазерного звукоснимателя. Наибольшее распространение получил вариант ползункового типа, или салазочный, при котором лазерный звукосниматель, включающий лазер, оптическую считывающую систему и фотоприемник, перемещается поперек нижней стороны КД двигателем звукоснимателя. В другом варианте – рычаговом – звукосниматель установлен на конце поворотного рычага (руки), который приводится в движение с помощью серводвигателя. Вместе с рычагом происходит перемещение звукоснимателя по полю КД.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ (ЛД)

Полупроводниковый лазерный диод – это излучающий полу-проводниковый прибор с двойным гетеропереходом, преобразующий электрическую энергию в энергию индуцированного, поляризованного светового излучения с высокой степенью когерентности.

Полупроводниковый лазер – одно из лучших прикладных достижений физики конца ХХ века. В этом приборе удалось достичь удобного и эффективного прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного светового излучения. Впервые использовать полупроводниковые материалы для создания лазеров предложили в 1961 г. советские учные Н.Г.Басов, Ю.М.Попов и О.Н.Крохин. В 1964г. за фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, группе советских учнных была присуждена Государственная премия.

Полупроводниковые лазеры, изготовленные на основе двойного гетероперехода, были впервые предложены в СССР Жоресом Ивановичем Алфровым. Основное различие между СИД и ЛД состоит в том, что излучение в СИД спонтанное и некогерентное, а в ЛД индуцированное и когерентное. Чтобы лазерный диод стал генерировать когерентное оптическое излучение необходимо произвести инверсию населнностей уровней и поместить его в резонатор, обеспечивающий необходимую положительную оптическую обратную связь.

Инверсия населнностей

Фотон с энергией Е2 – Е1 может с равной вероятностью инициировать как переход Е1 Е2, так и переход Е2 Е1. Вс дело в том, на каком энергетическом уровне находится взаимодействующий с фотоном активный центр. Если на нижнем рабочем уровне (Е1) находится больше активных центров, чем на верхнем уровне (Е2), то будут преобладать процессы поглощения света. Если же, наоборот, на уровне Е1 находится меньше активных центров, чем на уровне Е2, то будут преобладать процессы вынужденного испускания света.

Нам важно, чтобы преобладали процессы вынужденного испускания света. Следовательно, необходимо, чтобы населнность верхнего рабочего уровня n2 оказалась выше населнности нижнего уровня n2, т.е. чтобы выполнялось условие n2 n1 называемое условием инверсии (обращения) населнностей рабочих уровней.

Активную среду, для активных центров которой выполняется условие инверсии, называют инвертированной активной средой.

Инверсию населнностей, в данном случае, производят током накачки IН.

–  –  –

Для создания оптического генератора необходимо, как и для обычного генератора радиодиапазона, ввести положительную обратную связь и выполнить амплитудные и фазовые условия.

Простое повышение тока накачки до уровня создания инверсии населнностей ещ не обеспечит генерацию. В этом случае для появления индуцированного излучения необходимо в область обедннного слоя ввести внешний сигнал – поток фотонов с заданной энергией, который индуцирует начало процесса формирования монохроматической волны. Таким потоком фотонов может быть поток спонтанных фотонов.

Поскольку энергия фотонов вынужденного излучения равна энергии первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вынужденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения, что и спонтанные фотоны. Другими словами, падающий спонтанный фотон приводит к излучению ещ одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растт лавинообразно, и излучение усиливается. Такое устройство при наличии инверсии населнностей будет выполнять функции оптического генератора.

Положительная обратная связь. Упрощнная физическая модель лазера приведена на рисунке 1.

Рис.1

Активная область (АО), т.е. область, в которой реализуется инверсия населнностей, заключена между двумя зеркалами 3, которые отражают часть потока фотонов и возвращают е в активную область.

Этим обеспечивается положительная обратная связь по оптической мощности. Зеркала 3 представляют собой оптический открытый резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркал должно быть полупрозрачным.

Резонатор имеет характеристические резонансные частоты, генерируемые двухуровневой системой. Устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству потерь и усиления на проход. В понятие потерь включена и та часть оптической мощности, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок.

Самовозбуждение не может начаться, пока усиление не превысит потери, которые возникают вследствие поглощения света в среде, находящейся внутри резонатора, или рассеяния части излучения через боковую поверхность.

Амплитудное условие. Достаточно сильный ток накачки I Н создат инверсную населнность уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, когда на верхнем уровне населнность электронов больше, чем на нижнем. При наличии инверсной населнности более вероятен процесс стимулированного излучения другого фотона. Для работы лазера требуется, чтобы усиление превысило потери, что достигается при превышении током накачки I Н некоторого порогового значения IП (IН IП).

Источник тока накачки IН создат необходимую концентрацию носителей в обедннном слое – почти все нижние уровни зоны проводимости заселяются электронами, а почти все верхние уровни валентной зоны свободны (заполнены дырками). Вероятность излучательной рекомбинации велика, что обеспечивает выполнение условия превышения усиления над потерями.

Фазовое условие.

Из всего потока рождающихся фотонов с разными энергиями (с разными длинами волн) резонатор Фабри-Перо выбирает только те, которые удовлетворяют условию резонанса – вдоль длины резонатора должно укладываться целое число полуволн k:

где L – длина пути, по которому распространяется излучение;

k – целое число.

Такие фотоны эффективно отражаются зеркалами резонатора, что создат положительную обратную связь. Этим обеспечивается выполнение фазового условия генерации. Поэтому излучение возникает на длинах волн, для которых выполнено условие резонанса. В данном случае излучение представляет собой несколько "почти" монохроматических волн, каждой из которых сопоставляется продольная мода резонатора с соответствующим индексом k. Роль резонатора. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси ОО или достаточно близко к нему, будут проходить внутри активной области относительно большой путь, который, к тому же, существенно увеличивается из-за многократных отражений излучения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбужднными активными центрами, эти фотоны инициируют, в конечном счте, мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует световой луч. Что же касается тех спонтанных фотонов, которые случайно родились в иных направлениях, то они (и соответствующие лавины вторичных фотонов) пройдут в активном элементе относительно короткий путь и быстро выйдут за пределы активной области.

Таким образом, оптический резонатор выполняет принципиально важную роль. Бурно развивающиеся в инвертированной активной среде процессы вынужденного испускания (инициированные спонтанно родившимися фотонами) резонатор как бы упорядочивает, направляет в нужном направлении и в итоге формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. В ЛД зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллических плоскостей и перпендикулярные плоскости p-n-перехода. Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл– воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения (примерно 30%).

Поскольку свет направляют в оптическое волокно через одну из поверхностей ЛД, называемую фронтальной, то его задняя поверхность покрывается отражающим материалом для уменьшения потерь света.

Характеристики ЛД К числу основных характеристик полупроводникового лазера, определяющих возможность использования его в системах связи и передачи информации относятся:

мощность излучения;

диаграмма направленности излучения;

длина волны излучения моды;

спектральная ширина;

поляризация излучения;

быстродействие;

срок службы.

Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока накачки (ватт-амперная характеристика) при различных значениях температуры показана на рисунке 2.

Рис.2 При малых токах накачки (IН IП) лазер работает подобно СИД: происходит спонтанная излучательная рекомбинация и излучение ЛД некогерентно и неполяризовано. При превышении порогового значения тока (IН IП) наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, излучение становится вынужденным. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного напряжения путм изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.

Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера.

Отметим ещ одну существенную особенность, присущую лазерному диоду: при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперных характеристик. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка применяются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.

Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5-20мВт при ширине полоскового контакта 1020мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100мкм, то излучение с одного торца может достигнуть 100мВт.

Использование лазера в устройстве звукоснимателя проигрывателя компакт-дисков Для оптической системы проигрывателя КД необходимо когерентное излучение с определенной длиной волны и фазой. Такой свет получается благодаря индуцированной или стимулированной эмиссии в р-n-переходе инжекционного лазерного диода (ИЛД).

Когерентный световой пучок дает возможность после отражения в соответствующем оптическом элементе, например, на поляризующей поверхности, так осуществить поворот фазы, чтобы полностью разделить исходный и отраженный лучи, что и происходит в оптической системе проигрывателя КД.

В большинстве проигрывателей КД ИЛД имеет отдельный (независимый) источник питания и схему управления питанием. Чтобы лазер начал излучать, сила тока, протекающего через него, должна достичь определенной пороговой величины (рис.1).

Рис.1. Характеристика эмиссионной способности ИЛД

По достижении порогового значения лазер начинает работать стабильно и генерирует постоянное световое излучение. Максимальный ток возбуждения лазерных диодов в проигрывателях КД составляет 40 – 70 мА, у некоторых диодов он достигает 100 мА. При увеличении тока возбуждения резко возрастает генерация потока излучения лазера, при котором существует опасность быстрого разрушения лазера. При токе 150 мА происходит разрушение любых лазерных диодов.

ИЛД чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и сильно реагируют на изменение питающего тока. Это приводит к тому, что для обеспечения безопасности работы ИЛД необходимо постоянно контролировать эмиссию его светового потока.

Автоматический контроль питания ИЛД осуществляется применением схем с отрицательной обратной связью, когда при уменьшении сигнала на выходе лазерного диода возрастает ток его возбуждения, увеличивая выходной сигнал до необходимого уровня. При возрастании выходного сигнала ИЛД происходит обратный процесс.

Необходимо учитывать также проблему старения лазерных диодов, когда с увеличением длительности работы падает их эмиссионная способность и для увеличения потока излучения требуется больший ток возбуждения лазера. Система автоматического контроля питания лазера обеспечивает постоянную эмиссию светового потока в течение продолжительного времени, что определяет высококачественные характеристики оптической системы.

–  –  –

Практическая часть работы выполняется с помощью программы моделирования радиоэлектронных схем «MicroCap 10».

Схема для исследования представлена на рис. 2

Похожие работы:

«А Абакумов Дмитрий Петрович (1923-1993). Ефрейтор, связист 91 адн. Абрамов Савелий Павлович (1907-1980). Абузин Николай Петрович (1925-1997). Рядовой, радиотелефонист 308 ап. Дваж...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Т.С. Омеличева ОРГАНИЗАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Ухта 2010 г. ББК 65.290–2я73 О–57 О...»

«Министерство образования Российской Федерации Ухтинский государственный технический университет Н.И. АВЕРЬЯНОВА, И.А. ШИПУЛИНА, А.Е. ЖУЙКОВ, Н.Ю. ЗАРНИЦЫНА, Л.А. КИЧИГИНА, Е.А.ВЕЛЬДЕР ПИЕЛОНЕФРИТ И ГЛОМЕРУЛОНЕФРИТ У ДЕТЕЙ Ухта, 2001 УДК 616.61-002.3-053....»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет (УГТУ) О. М. Кудряшова, Р. А. Нейдорф...»

«БЕЛОЛИПЕЦКИХ НАТАЛЬЯ ВИКТОРОВНА СТИМУЛИРОВАНИЕ ПОЛОРОЛЕВОЙ СОЦИАЛИЗАЦИИ СТУДЕНЧЕСКОЙ МОЛОДЁЖИ (на примере строительного колледжа) 13.00.02 – Теория и методика обучения и воспитания (социальное воспитание в разных образовательных областях и на всех уровнях системы образования) ДИССЕРТ...»

«Шутов Владимир Дмитриевич ЛИНЕАРИЗАЦИЯ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ МЕТОДОМ ЦИФРОВЫХ ПРЕДЫСКАЖЕНИЙ Специальности 01.04.03 – Радиофизика, 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Воронеж – 2015 Работа выполнена...»

«КОСТИН АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИЗМЕРЕНИЕ И МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕНЕВОЙ ЭКОНОМИКИ НА ПРИМЕРЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Специальность 08.00.13 Математические и инструментальные методы экономики...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КА...»









 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.