Что такое оптоэлектроника?

Оптоэлектроника - это научно-техническое направление, связанное с изучением и применением эффектов взаимодействия оптического излучения (света) с веществом (обычно с твердым телом). Её преимущества заключаются в огромной информационной ёмкости оптических каналов связи, связанной с высокой частотой электромагнитных колебаний (~10¹⁵ Гц) света; другим превосходством служит высокая энергетическая плотность оптического излучения внутри световода, что позволяет минимизировать поперечные размеры оптического волокна.

Оптоэлектронный прибор - это элемент или узел, применяемый в оптоэлектронике для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и наоборот. Оптоэлектронные приборы делятся на источники оптического излучения и приемники оптического излучения (фотоприемники). Кроме них к оптоэлектронным приборам относят оптические волноводы, оптическую память, функциональные приборы (преобразователи некогерентного излучения в когерентное, оптроны, оптические вентили и др.), оптические и оптоэлектронные интегральные схемы, модуляторы света и отклоняющие системы, а также разного рода дисплеи.

Основные эффекты оптоэлектроники: фотопроводимость или внутренний фотоэффект - это увеличение электропроводности полупроводника или изолятора под действием света. Основной прибор, работающий на изменении фотопроводимости - фоторезистор, быстродействие которого ниже, чем у других оптоэлектронных приборов и зависит от области спектра; фотогальванический эффект - если светом облучать электрод вакуумной лампы, то возникнет эмиссия электронов.

Это явление называется фотоэффектом. Если же осветить поверхность перехода в полупроводнике, то появится ЭДС. Это явление называется фотогальваническим эффектом и связано с тем, что в полупроводнике при поглощении фотонов образуются пары электрон-дырка, которые преодолевают потенциальный барьер в месте перехода. В результате возникает ЭДС.;

нелинейные оптические эффекты - это нелинейные отклики на мощное оптическое излучение. К ним относятся эффект Рамана и эффект Бриллюэна. Эффектом Рамана называют рассеяние монохроматического излучения ( одной длины волны) в веществе, при котором в спектре рассеянного света появляются новые, характерные для данного вещества линии, отличающиеся от спектральной линии источника.

Эффект Бриллюэна - это рассеяние, возникающее в результате взаимодействия акустического фонона с оптическим излучением со смещением линий на частоту фонона. Вынужденный эффект Бриллюэна возникает под действием сильно интенсивных световых пучков возбуждающего света.

магнитооптический эффект - это изменение оптических свойств (отражение, пропускание, поляризация и др.) вещества в зависимости от его намагниченности или от приложенного к нему магнитного поля. Наиболее известные из магнитооптических эффектов - эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации света в среде, которая находится в магнитном поле);

электрооптический эффект - эффект Поккельса (изменение коэффициента преломления пропорционально приложенному электрическому полю - нелинейное явление второго порядка) и эффект Керра (изменение коэффициента преломления, пропорциональное квадрату приложенного электрического поля - нелинейное явление третьего порядка);

акустооптический эффект - это явления преломления, дифракции, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Акустооптические эффекты бывают двух видов: при низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана - Ната. А если частота ультразвука высокая и ширина фронта велика, возникает дифракция Брэгга; вынужденное излучение света - излучение света может происходить двумя способами.

При первом способе электроны в атоме , находящиеся на энергетическом уровне Е2, без постороннего вмешательства переходят на более низкий энергетический уровень Е1, испустив при этом квант света (так называемое споонтанное излучение).

При втором способе электроны, находящиеся на уровне Е2 подвергаются воздействию света с определенной длиной волны, пори этом атом испускает свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию. Это и есть вынужденное или индуцированное излучение;

люминесценция - это явление, при котором вещество, поглощая энергию света или какого-либо другого излучения (либо под воздействием различных химических реакций) переходит в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в исходное состояние, излучает полученную энергию в виде света. Кратковременное люминесцентное излучение, прекращающееся почти сразу с окончанием возбуждения называется флюорисценцией, а длительное, продолжающееся и после окончания возбуждения, - фосфоресценция.

В зависимости от способа возбуждения люминесценция делится на несколько видов:
1. фотолюминесценция - свечение вещества при облучении светом;
2. катодная люминесценция - свечение вещества при облучении пучком электронов;
3. электролюминесценция - свечение вещества под действием электрического поля;
4. хемолюминесценция - свечение, вызванное химическим реакциями, проходящзими в веществах;
5. антистоксовая люминесценция - свечение, энергия (частота) которого выше энергии (часоты) возбуждающего излучения, и стоксовая люминесценция - при которой энергия свечения ниже частоты возбуждающего излучения.

Поляризация - это характеристика поведения одного из ортогональных (плоскости которых всегда взаимно перпендикулярны) векторов Е (напряженности электрического поля электромагнитной волны) или Н (напряженности магнитного поля электромагнитной волны). Различают линейную, круговую и эллиптическую поляризацию. При линейной поляризации вектор Н (или вектор Е, что в данном случае одно и то же) распространяется вдоль оси Z (направления распространения), находясь строго в плоскости Y-Z:

При круговой поляризации вектор Н, распространяясь вдоль оси Z вращается также и вокруг этой же оси, не изменяясь по величине:

При эллиптической поляризации вектор Н распространяется вдоль оси Z, вращается вокруг неё и постоянно меняет свое значение по определенному закону:

Из приведенных выше трех типов поляризации наиболее общим является эллиптическая поляризация, а линейная и круговая поляризации являются частными случаями эллиптической.

Когерентность - синфазность и синхронность вынужденного оптического излучения, состоящего из большого количества отдельных мод (типов волн электромагнитного излучения). Когерентность присуща только лишь вынужденным колебаниям. Она появляется только лишь при выполнении определённых условий и не является свойством спонтанных (естественных или искусственных) источников излучения. К. есть обязательное условие лазерного излучения и именно она придает ему специфические особенности - направленность и крайне низкую расходимость лазерного пучка.

Преобразователи некогерентного излучения в когерентное - это прибор, преобразующий излучение или изображение, получаемое в естественном свете, в когерентную картину. Он представляет собой оптическую память - для записи изображения и пространственный модулятор - для считывания изорбражения путем облучения записи лазером на основе эффекта Поккельса. Такие преобразователи часто применяются в голографии и в системах, производящих корреляционные вычисления и Фурье-анализ в реальном времени.