Способы получения белого света

Первый - смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.

Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода СД, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне UV, наносится три люмино-фора, излучающих, соответственно, голубой B, зеленый G и красный R свет. На фоне сплошного дифракционного спектра отчетливо видны участки повышенной интенсивности голубого, зеленного и красного цвета.

В третьем способе - желтый Y или зеленый G + красный R люминофор наносятся на голубой B светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый W или близкий к белому свет. На фоне сплошного дифракционного спектра отчетливо видны участки повышенной интенсивности: голубого B и желтого Y; голубого B, зеленного G и красного R цвета.

Недостатки СИД с люминофором: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Если светодиоды с люминофором используются для освещения каких-либо объектов белым светом, то RGB – синтез позволяет создавать любую цветовую гамму и открывает бездну возможностей в разработке новых художественных приемов. RGB – синтез позволяет создавать установки с динамически меняющимися цветом и яркостью. Произвольно меняющийся во времени и пространстве цветной свет становится инструментом, доступным каждому художнику, архитектору, светодизайнеру.

Лекция 15 21. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

Одним из самых распространенных в настоящее время является гелий – неоновый лазер, созданный в 1961 г. А. Джаваном (США). Чтобы понять принцип работы лазера, необходимо рассмотреть несколько ключевых вопросов.

Процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Согласно теории Бора атом в стационарном состоянии может находиться бесконечно долго, при этом он не поглощает и не излучает энергию. В этом состоянии атом обладает минимальной энергией E_n. Под действием внешних возмущений (соударения, поглощение кванта энергии и т.д.) атом переходит в возбужденное состояние с энергией E_m. Возбужденный атом пребывает в этом состоянии примерно 10^–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в стационарное состояние, испуская квант света, частоту которого можно определить из постулата Бора:

(1)

где E_m и E_n – энергия атома в двух его состояниях, h-постоянная Планка.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10^–3 с. Такие уровни называются метастабильными. При спонтанном переходе характеристики излученного фотона (направление распространения, поляризация, фаза) произвольные.

Однако переходы между энергетическими уровнями атома не всегда связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода (1). Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным.

Вынужденное излучение принципиально отличается от спонтанного излучения. При индуцированном переходе атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у волны, вызвавшей этот переход.

С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. Индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

На рис. 2 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

Рис.2. Условное изображение процессов: (а) - поглощения; (b) - спонтанного излучения; (с) - индуцированного излучения кванта.

Чтобы создать активную среду, в которой были бы возможны индуцированные переходы необходимо создать условия, при которых на более высоких энергетических уровнях находилось больше атомов, чем на стационарных. Такое распределение атомов по энергетическим состояниям называется инверсным.

В естественных условиях нижние энергетические уровни заселены более плотно, чем верхние, а число атомов N, находящихся в состоянии с энергией Е описывается распределением Больцмана:

(2)

где k- постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, С – константа, зависящая от природы вещества.

С учетом (2) для инверсных сред должно выполнятся условие

где: E_n, E_m – энергия атомов на энергетических уровнях n и m, причем E_n< E_m; N_n, N_m – число атомов на уровнях n и m (N_n< N_m).

Механизм создания инверсной населенности лазерного перехода в гелий-неоновом лазере можно рассмотреть с помощью упрощенной схемы энергетических уровней гелия и неона (рис.3).

Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны l₀= 632,8 нм, является неон. Гелий участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона.

Рис.3. Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.

Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Уровень E₄ неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E₂ гелия. Недостаток энергии компенси-руется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E₄ неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E₃, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни, в частности на уровень Е₂.

На уровне E₄ неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E₃, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни, в частности на уровень Е₂. Опустошение уровня E₂ неона, происходит при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов.

В гелий – неоновом лазере активная среда заключена в стеклянной трубке, торцы которой закрыты плоскопараллельными пластинами под углом Брюстера (рис.4). Давление гелия в трубке примерно равно 1 мм рт. ст., а давление неона – 0,1 мм рт. ст. При подключении к катоду 2 и аноду 3 высокого напряжения в трубке возникает электрический тлеющий разряд, благодаря которому обеспечивается инверсия активной среды.

Рис. 4. Схема гелий-неонового лазера: 1 –трубка со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 % .

При индуцированных переходах среда усиливает излучение. При этом необходимо, чтобы свет прошел как можно больший путь через активную среду и вызвал лавинообразное нарастание индуцированных переходов. Это достигается с помощью оптического резонатора, состоящего из двух высоко-отражающих зеркал, расположенных в параллельных плоскостях по обе стороны активной среды (на рис.4 зеркала 4 и 5).

Расстояние между зеркалами L должно быть равно целому числу полуволн, т.е. где n=1,2,3…

С волновой точки зрения, действие резонатора сводится к тому, что индуцированное излучение, распространяющееся в противоположных направлениях в виде падающих и отраженных волн, интерферируют в нем, образуя стоячие волны с непрерывно возрастающей амплитудой. Рост амплитуды продолжается до значения, при котором полупрозрачное зеркало 5 начнет пропускать излучение.

С точки зрения квантовой теории между зеркалами наблюдается лавинообразное нарастание идентичных фотонов, имеющих одинаковую поляризацию (благодаря торцевым пластинам, установленных под углом Брюстера) и распространяющихся вдоль осевой линии трубки (рис.5).

Рис.5. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

Фотоны, распространяющиеся под некоторым углом к осевой линии или имеющие произвольную поляризацию, отсеиваются и не участвуют в усилении света.

Таким образом, оптический резонатор выделяет излучение строго определенной длины волны, имеющее определенную поляризацию и узкую направленность.

Гелий-неоновый лазер используется при юстировочных и нивелировочных работах (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений). Гелий-неоновый лазер широко применяется в оптической связи и локации, в голографии, в квантовых гироскопах и шоубизнесе.