Przemysław CEYNOWA

Przemysław CEYNOWA
Wydział Elektroniki i Informatyki, Politechnika Koszalińska
E-mail: przemysł[email protected]
Opracowanie bloku scalania światła
do dyskretnego
pseudomonochromatora wzbudzającego
Streszczenie: W pracy zbadano możliwości realizacji dyskretnego pseudomonochromatora wzbudzającego realizującego skupianie kilku wiązek
świetlnych o różnych długościach fali (pochodzących od diod LED i laserowych), stosowanych do punktowego wzbudzenia badanego materiału
lub struktury półprzewodnikowej z sekwencyjnym przełączeniem długości
fali wzbudzającej wiązki. Realizacja dokonana została na biernym elemencie szklanym, którego podstawowe parametry zmierzono na specjalnie przystosowanym stanowisku pomiarowym. Opracowując do własnych
potrzeb metodę pomiarową wyznaczono: straty przy przejściu, wpływ kąta
padania na prowadzenie w ośrodku oraz wpływ położenia prostopadłego
wiązki świetlnej. Ustalono przydatność wybranego elementu do zastosowania i zweryfikowano drogę rozwoju.
1. Wprowadzenie
Pseudomonochromator dyskretny [1] to urządzenie, na wyjściu którego otrzymujemy
światło monochromatyczne o różnych nielosowych długościach fali. Urządzenia tego
typu mogą być skutecznie wykorzystane do sekwencyjnego wzbudzania półprzewodnikowych obiektów w celu wyznaczania ich parametrów na zasadzie pomiaru widma
odpowiedzi we względnie szerokim zakresie widmowym w sytuacji braku potrzeby
wysokie rozdzielczości spektralnej oraz dużej ilości punktów pomiarowych. Typowym
przykładem do zastosowań pseudomonochromatora może być metoda wyznaczania
długości drogi dyfuzji nośników Ld oparta na pomiarach widma fotonapięcia powierzchniowego [2] w której zamiana tradycyjnego monochromatora na pseudomonochromator dyskretny powinna dać możliwości do bardzo szybkiego pomiaru widmowego w pojedynczym punkcie pomiarowym i w konsekwencji do szybkiego otrzymywania
rozkładu mierzonego parametru po powierzchni badanych płytek lub struktur. Ponieważ
na danym etapie planowanymi obiektami do badań z zastosowaniem wzbudzenia
optycznego są materiały i struktury krzemowe wybrany zakres widmowy mieścił się
w zakresie od 380 nm do 1200 nm.
14
W opracowanej koncepcji budowy wyróżnić można zasadniczo dwa główne elementy:
generator światła monochromatycznego oraz tor optyczny. Generator światła monochromatycznego stanowi sterowane źródło światła generujące różne długości fali,
w projektowanej wersji z zakresu od 380 nm do 1100 nm. Realizacja toru optycznego
oparta została na stworzeniu systemu łączącego kilka wejść optycznych w jedno wyjście (lub dwa, gdzie drugie służyć będzie do kontroli parametrów fali świetlnej). Zasadniczym problemem pojawiającym się przy realizacji założeń toru optycznego jest skupiane światła różnych długości fal świetlnych. Do tego celu konieczne jest opracowanie
bloku scalania światła, czemu poświęcona jest niniejsza publikacja. Dokonano próby
doboru elementów szklanych mogących spełniać te założenia. Zweryfikowano pomiarowo ich przydatność pod tym kątem. Uzyskane wyniki zweryfikowały podejście do
zagadnienia i słuszność koncepcji.
2. Cel i zakres
Celem niniejszej pracy jest opracowanie i zbadanie bloku scalania światła do pseudomonochromatora wzbudzającego. Zakres prowadzonych działań obejmuje dobór odpowiednich elementów optycznych realizujących funkcję scalania wiązek światła z zakresu długości fal od 380 nm do 1200 nm. Ocenę przydatności dokonano na podstawie
przeprowadzonych pomiarów. Zmierzono: straty przy przejściu, wpływ kąta padania na
prowadzenie w ośrodku, wpływ położenia prostopadłego wiązki świetlnej oraz zależność tłumienia od długości fali świetlnej. Wyniki przedstawiono w postaci tabelarycznej
i na wykresach.
3. Metodyka badań
Optyczne elementy skupiające
Do celów badawczych wykorzystano dwa elementy szklane (patrz rysunek 1 i 2) zaprojektowane i wykonane w Katedrze Promieniowania Optoelektrycznego Politechniki
Białostockiej o kształcie jak pokazano na rysunku 1, przy tym średnice okien wyjściowych dla elementów nr 1 i nr 2 wynosiły 16 mm i 12 mm, a wyjściowych odpowiednio
5 mm i 3 mm. Na rysunku 1 przedstawiono wymiary elementu nr 1.
Rys. 1. Zwymiarowany element szklany 1
Testowane elementy wzbudzające
Skupianie kilku wiązek optycznych wymaga użycia źródeł światła o możliwie wąskim
kącie emisyjnym. Dostępne na rynku diody laserowe mimo odpowiednich parametrów nie
15
są w stanie w wystarczającym stopniu pokryć zakładanego widma długości fal (380 nm –
1200 nm). W związku z tym na obecnym etapie badań, w wybranym zakresie widmowym
wykorzystano do realizacji zestaw diód LED o różnych kątach rozchodzenia wiązki
optycznej. Dobrane w sposób możliwie zapełniający zadany zakres widmowy.
Mierzone parametry
Scalanie wiązek światła ze źródeł o względnie szerokim kącie emisji nie jest prostym
zagadnieniem i wymaga użycia elementów optycznych o dużym kącie akceptacji.
Czynnikami określającymi stopień przydatności elementów optycznych do takiego
wykorzystania powinny być głównie: wspomniany wcześniej kąt akceptacji, tłumienie
oraz stopień skupiania prowadzonych w nim wiązek światła. Metodyka jak i określenie
tych parametrów wymagało stworzenia specjalnej metody badawczej.
Zmierzono:
•
•
straty przy wiązce padającej prostopadle na płaszczyznę przekroju w centralnym jej
punkcie oraz straty przy wiązce padającej prostopadle do płaszczyzny przekroju
w różnych punktach,
straty przy wiązce świetlnej padającej pod różnym kątem do płaszczyzny przekroju.
Powyższe pomiary zrealizowano na specjalnie przygotowanym stanowisku.
Układ pomiarowy
Schemat układu do pomiarów strat energii świetlnej opierał się na dwóch głównych
elementach: źródle światła, którego rolę pełni dioda laserowa o długości 650 nm (moc
około 3 mW) oraz detektorze, którego rolę pełniła fotodioda BPW 34.
Detektor
Dioda
laserowa 650 nm
Rys. 2. Pomiar strat przy wiązce światła padającej prostopadle w różnych punktach
Zmierzono także zależność tłumienia od długości fali świetlnej przy niezmiennym układzie geometrycznym wprowadzenia światła do elementów skupiających, z zastosowaniem monochromatora.
4. Wyniki pomiarów
Wyznaczenie współczynnika tłumienia dla światła o długości fali 660 nm padającej
prostopadle w osi elementu, wiązało się z porównaniem napięcia referencyjnego (Vref)
wiązki padającej bezpośrednio, do napięcia po przejściu przez badany element (Vp).
Okazało się że w takiej konfiguracji straty wynoszą około 0,16 dB (patrz tabela 1) dla
elementu 1 i około 0,12 dB dla elementu 2 (patrz tabela 2).
16
Tabela 1. Wyniki pomiaru straty po przejściu przez element 1
Lp.
Vref [V]
Vp [V]
Strata [dB]
1
0,520
0,502
0,153
2
0,519
0,500
0,162
3
0,517
0,498
0,163
4
0,523
0,505
0,152
5
0,521
0,503
0,153
Decydujący wpływ na wynik miał kształt geometryczny elementu. Pomiar tłumienia dla
wiązek wprowadzanych prostopadle, wskazuje jednoznacznie, że jej położenie mocno
wpływa na ten parametr. Wiązka padająca w osi elementu tłumiona jest w najmniejszym
stopniu tj. 0,16 dB dla elementu 1 i 0,12 dB odpowiednio dla elementu 2. Wyniki porównywalne z uzyskanymi w serii poprzednich pomiarów (tabela 1). Wraz z oddalaniem
się od osi obserwujemy wzrost tłumienia aż do wartości maksymalnych na krawędziach
przekroju (tabela 3).
Tabela 2. Wyniki pomiaru straty po przejściu przez element 2
Lp.
1
2
3
4
5
Vref [V]
0,520
0,519
0,517
0,523
0,521
Vp [V]
0,506
0,504
0,503
0,509
0,506
Strata [dB]
0,119
0,127
0,119
0,118
0,127
Tabela 3. Tłumienie wiązki padającej prostopadle w różnych punktach
Różnica 1-2
Lp. Punkt 1 [V]
Punkt 2 [V]
Punkt 3 [V]
[dB]
1
0,502
0,489
0,500
0,114
2
0,500
0,486
0,499
0,123
3
0,498
0,484
0,496
0,124
4
0,505
0,491
0,504
0,122
5
0,503
0,489
0,500
0,123
Opis położenia punktów pomiarowych:
•
•
•
Różnica 1-3
[dB]
0,017
0,009
0,017
0,009
0,026
Punkt 1 – w osi głównej elementu szklanego,
Punkt 2 – na krawędzi przekroju wejściowego,
Punkt 3 – w położeniu pośrednim pomiędzy osią a krawędzią
(w połowie odległości).
Przeprowadzono pomiary tłumienia wiązek światła wprowadzanych do elementów
szklanych pod różnymi kątami. Wyznaczono tym samym wpływu kąta padania wiązki
światła od jej tłumienia w elemencie szklanym 1 i 2. Wyniki przedstawiono na wykresach poniżej (rysunki 3 i 4). Poziom zerowy tłumienia ustalony jest w tym przypadku
dla wiązki padającej prostopadle w osi obu elementów. Stopniowa zmiana kąta wprowadzanej wiązki powodował obniżenie sygnału wyjściowego rejestrowanego detektorem. W taki sposób wyznaczono spadek sygnału w zależności od zmiany kąta jego
padania λ [°].
17
Za pomocą opracowanej metody badawczej udało się zmierzyć podstawowe parametry
optyczne posiadanych elementów szklanych. Umożliwiło to ocenę przydatności użycia
takiego typu elementów w bloku scalania światła dla pseudomonochromatora wzbudzającego. Wiązka padająca prostopadle w osi elementu wykazywała niewielkie tłumienia
charakterystyczne dla materiału i jego wymiarów, odpowiednio około 0,16 dB dla elementu 1 i około 0,12 dB dla elementu 2. Zmiana położenia względem osi ukazała charakterystykę parabolicznego profilu budowy, tłumienie rosło wraz z oddalaniem się od osi.
Pomiary wykazały iż najkorzystniejsza jest konfiguracja gdy wiązka pada w osi elementu.
Tłumienie światła wprowadzanych do elementu szklanego 1
pod różnymi kątami
25
23,243
23,243
20
15,461
14,212
15,461
[dB]
15
13,700
10,938
10
Spadek [dB]
8,472
5
3,420
3,200
1,424
1,396
0
-45 -37,5 -30 -22,5 -15
-7,5
0
7,5
15
22,5
30
37,5
45
Kąt λ [°]
Rys. 3. Tłumienie światła wprowadzanych do elementu szklanego 1 pod różnymi kątami
Badania zależności kąta padania wiązki od jej tłumienia w elemencie wykazały, że
wartości tłumienia są minimalne dla kąta możliwie prostopadłego do płaszczyzny są
najmniejsze i wynoszą około 4 dB. Wraz ze wzrostem kąta rośnie tłumienie prowadzonej wiązki, które w tym momencie wskazuje jaka jej część jest skutecznie prowadzona.
Istotny dla prowadzenia jest współczynnik jej wewnętrznego odbicia, który wiąże się
istotnie z parabolicznym profilem budowy. Potwierdza to zasadność użycia parabolicznego profilu do skupiania wiązek lecz w odwróconym do przedstawionego charakterze.
Badania zależności widmowej tłumienia światła w zastosowanych elementach nie wykazały zauważalnej dyspersji chromatycznej, w wybranej geometrii pomiarowej tłumienie wynosiło około 0,24 dB.
18
Tłumienie światła wprowadzanych do elementu szklanego 2
pod4różnymi kątami
3,106
3
3,000 2,958
2,937 3,000
3,106
2,774
Tłumienie [dB]
2,521
3
2
2
1,426
1,353
Spadek [dB]
1
0,673
1
0,661
0
-45 -37,5 -30 -22,5 -15
-7,5
0
7,5
15
22,5
30
37,5
45
Kąt λ [°]
Rys. 4. Tłumienie światła wprowadzanych do elementu szklanego 2 pod różnymi kątami
Przeprowadzone badania dają podstawy do wyznaczania parametrów geometrycznych
ustawienia zestawu wzbudzających diód półprzewodnikowych w stosunku do bloku
scalania światła do projektowania bloku scalania światła do dyskretnego pseudomonochromatora wzbudzającego. Jeśli przyjąć założenie, że przy diodach o średniej mocy
wyjściowej 10 mW i pożądanej mocy wejściowej za układem scalania na poziomie
1 mW, to apertura kątowa wejściowa dla zastosowanych elementów scalania może
osiągać 20o. Taki parametr apertury wejściowej powinien umożliwić bezproblemowe
wprowadzenie do elementu scalającego światła od 10-12 diód wzbudzających, tak LED
jak i laserowych.
Autor pragnie podziękować prof. dr hab. Janowi Doroszowi z Politechniki Białostockiej
za udostępnienie koncentratorów optycznych o specjalnym kształcie.
Literatura
1.
D. Straub, V. Dose and W. Altmann, Investigation of intrinsic unoccupied surface
states at GaP(110) by inverse photoemission, Surface Science, Volume 133, Issue 1,
1983, pp. 9-14.
2.
Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductors by Measurement of Steady-State Surface Photovoltage (Withdrawn
2003), The ASTM Standards and Engineering Digital Library, ASTM F391-02
19