Categorías de dispositivos optoelectrónicos
Los dispositivos optoelectrónicos incluyen principalmente fuentes de luz como portadores de información, detectores de radiación, componentes de control y procesamiento, fibras ópticas y dispositivos de visualización.
El proceso de radiación térmica de una fuente de luz como portador de información es difícil de controlar rápidamente, 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 la propagación. 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. Por lo general, 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 luz potente. Los láseres tienen buena monocromaticidad, coherencia, direccionalidad y alta intensidad de luz. Estas propiedades son beneficiosas para las comunicaciones ópticas y otras aplicaciones. Es decir, los convertidores fotoeléctricos y fotoópticos, que se dividen en dos categorías: los que utilizan el efecto fotoeléctrico y los que utilizan el efecto térmico.
① Efecto fotoeléctrico: dividido 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 señales luminosas en señales electrónicas unidimensionales (temporales). Después de múltiples emisiones secundarias, el electrodo multiplicador de electrones mejora la señal y la emite desde el ánodo. Este dispositivo es tan sensible que incluso se puede utilizar para formar un contador de fotones para detectar fotones individuales. Se ha desarrollado un contador de fotones bidimensional (espacial) para detectar información luminosa 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 que es sensible a los rayos infrarrojos, lo que hace que la imagen de luz en el fotocátodo de imágenes emita los fotoelectrones correspondientes. acelerado y fotografiado bombardea la pantalla fluorescente, emite luz visible y emite una imagen de luz más brillante. Es un dispositivo de conversión de luz a luz. Así funcionan los tubos intensificadores de imágenes de rayos X o ultravioleta y los tubos de cambio de imágenes por infrarrojos. 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 todos dispositivos semiconductores. Sus principios fundamentales son dos efectos: la fotoconductividad y la fuerza fotoelectromotriz. Los detectores fotoconductores están hechos de un solo semiconductor o de un 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 de los portadores 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 irradiación de 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 del tipo fotoconductor. Los detectores más utilizados incluyen telururo de mercurio-cadmio, telururo de plomo-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 el cambio de resistencia, la generación de fuerza electromotriz por diferencia de temperatura y la polarización espontánea causada por el aumento de temperatura de un objeto. después de ser irradiado por radiación Cambie los efectos equivalentes para medir la potencia radiada. Este tipo de detector se utiliza en la banda infrarroja. La ventaja es que la tasa de respuesta no tiene nada que ver con la longitud de onda y también puede detectar radiación de onda larga a temperatura ambiente, pero el tiempo de respuesta es mucho más largo que el del. detector fotoeléctrico. Las principales características de la luz incluyen intensidad, espectro, polarización, tiempo de luminiscencia y coherencia. Cuando el haz de luz se propaga, tiene características como direccionalidad, divergencia o convergencia. La función del elemento de control es cambiar estas características de la luz. Para desviar, enfocar y colimar el haz se suelen utilizar espejos, lentes, prismas y divisores de haz. Los reflectores suelen utilizar películas metálicas o películas dieléctricas, la última de las cuales tiene un alto coeficiente de reflexión y es selectiva. La reflexión total se puede utilizar para hacer espejos para inversión, rotación de imágenes, división de haz, reflexión total, etc. Para cambiar otras características del haz de luz, los componentes comúnmente utilizados incluyen filtros, prismas, rejillas, polarizadores, helicópteros, cristales electroópticos y cristales líquidos controlados por campos eléctricos, etc.
Los interruptores electroópticos no solo pueden cambiar la intensidad y la polarización de la luz, sino también controlar la duración del paso de la luz. Son un dispositivo ampliamente utilizado. Su estructura consiste en colocar un cristal birrefringente entre dos polarizadores mutuamente ortogonales y agregar un campo eléctrico al cristal, y la dirección de polarización de la luz que pasa a través del cristal girará. El tamaño del ángulo de rotación está determinado por la intensidad del. campo eléctrico. Por tanto, ajustar la intensidad del campo eléctrico puede cambiar la intensidad de la luz transmitida; cambiar el tiempo de acción del campo eléctrico puede modular la duración de la luz.
Utilizando el efecto de difracción de las ondas sonoras sobre la luz, se puede controlar la frecuencia, la intensidad de la luz y la 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 también cambia proporcionalmente. Cuando el efecto de difracción es pequeño, la intensidad de la luz difractada es proporcional a la intensidad de la onda sonora. Al utilizar información para modular la intensidad de las ondas sonoras, la intensidad de la luz difractada se puede modular a través de esta relación proporcional. Este método de control se ha utilizado ampliamente en la propagación de la luz, 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 a grandes rasgos en dos categorías: tipo intrínseco o tipo totalmente óptico y tipo híbrido optoelectrónico. En términos generales, este dispositivo consta de tres partes: medio no lineal, sistema de retroalimentación y fuente de luz. Los estados alto y bajo de la intensidad de la luz emitida pueden considerarse como estados "encendido" y "apagado" en consecuencia. Los fototransistores pueden realizar amplificación, modulación, limitación y conformación de la luz, y pueden formar puertas lógicas ópticas.
El almacenamiento óptico incluye discos ópticos y películas holográficas de almacenamiento ultramicro, que se pueden utilizar para televisión de vídeo óptica y almacenamiento de información de gran capacidad, y también se pueden utilizar para almacenamiento de libros y materiales. Utilizados para generar señales ópticas analógicas, símbolos digitales e imágenes ópticas, se dividen en dos categorías: dispositivos de vacío y dispositivos sin vacío. Los primeros incluyen tubos de haz de electrones, tubos fluorescentes de bajo voltaje y bombillas incandescentes, etc.; los segundos incluyen diodos emisores de luz, pantallas electroluminiscentes, dispositivos de visualización de plasma y cristal líquido, etc. A excepción de las pantallas de cristal líquido que requieren iluminación ambiental y son pantallas pasivas, todas las demás pueden emitir luz y son pantallas activas. Hay dos métodos de visualización: ① Utilice segmentos de línea para formar los números, símbolos o patrones que deben mostrarse. Por ejemplo, utilice siete imágenes para deletrear los distintos números y símbolos. La mayoría de los diodos emisores de luz o pantallas de cristal líquido utilizados en calculadoras, medidores digitales, etc. utilizan este método. ② Seleccione una parte de las unidades con posiciones apropiadas en la matriz de elementos múltiples para formar los caracteres o patrones requeridos. Las unidades pueden usar lámparas incandescentes, diodos emisores de luz, pantallas electroluminiscentes, cristales líquidos, etc. Esta es una pantalla cruzada matricial sin escala de grises.
En la tecnología de la imagen, los tubos de imagen de televisión en blanco y negro y en color se utilizan ampliamente. El tubo de imagen utiliza un haz de electrones de barrido para bombardear una pantalla fluorescente y producir una imagen en blanco y negro o en color. Los dispositivos de conversión de luz en luz mencionados anteriormente, como los intensificadores de imágenes y los tubos de cambio de imágenes, también son dispositivos de obtención de imágenes. Además, también se puede utilizar una matriz de elementos múltiples con niveles de brillo, como por ejemplo el uso de dos conjuntos de electrodos mutuamente ortogonales en una pantalla plana sólida o en una pantalla de imagen. 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 con diferentes colores claros y oscuros forman una imagen. Esta estructura se ha utilizado para fabricar pantallas electroluminiscentes, pantallas de cristal líquido y pantallas de plasma.