Излучения падающего

Возможность создания устройств этого класса стала реальной в результате создания лазерной техники. Как известно, лазер является генератором электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн, в который входят инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые волны. Это излучение качественно отличается от излучения других источников, например нагретых тел. Лазерное излучение характеризуется высокой степенью временной и пространственной'когерентности, монохроматичностью, малой расходимостью (острой ;направленностью) луча, большой плотностью энергии. Лазерный луч можно перемещать непрерывно или дискретно в пространстве (сканирование луча посредством дефлекторов), модулировать, включать и выключать. •;•:,,.••

Для лазерной сварки используется высококонцентрированная энергия излучения оптического квантового генератора (ОКГ). Излучение лазера обладает высокой направленностью, т. е. малым расхождением луча, которое составляет (1...3) • 1Q-3 рад.

Болометры состоят из двух терморезисторов и служат для индикации электромагнитного излучения оптического или инфракрасного диапазона частот. Один из терморезисторов (активный), входящий в состав болометра, служит индикатором, а другой компенсирует влияние изменения температуры окружающей среды и экранирован от измеряемого излучения. Принцип работы болометра основан на изменении сопротивления активного терморезистора при облучении электромагнитным излучением. Болометры, наряду с параметрами, общими для всех термисторов, имеют дополнительные параметры, определяющие степень их чувствительности (табл. 9.2).

При подаче на р—я-переход прямого напряжения возникает интенсивная инжекция через него неосновных носителей заряда: электронов в р-область и дырок в n-область. Инжектированные неосновные носители заряда рекомбинируют с основными носителями данной области полупроводника; их концентрация быстро падает по мере удаления от р—я-пере-хода в глубь полупроводника. При встрече электрона с дыркой происходит процесс рекомбинации зарядов и высвобождение энергии в виде излучения оптического диапазона волн. У большинства полупроводников энергия, выделяющаяся при рекомбинации, отдается кристаллической решетке, т. е. превращается в конечном итоге в тепло. У полупроводников, выполненных на основе карбида кремния (SiC), галлия (Ga), мышьяка (As)-, и других материалов, энергия рекомбинации выделяется в виде кван-

передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный или поверхностный оптический микроволновод. Простейший симметричный объемный оптический микроволновод представляет собой локализованную по одной или двум пространственным измерениям область с показателем преломления, превышающим показатель преломления окружающей оптической среды. Такая оптически более плотная область есть не что иное, как канал или несущий слой диэлектрического волновода.

В основу принципа действия оптических преобразователей положена зависимость параметров потока оптического излучения от значения преобразуемой величины. Оптический преобразователь ( 15.1) состоит из источника излучения, оптического канала и приемника излучения. Преобразуемая величина X в таких преобразователях может воздействовать непосредственно на источник излучения и модулировать тот или иной параметр излучаемого им потока Ф1 либо, воздействуя на оптический канал, модулировать соответствующий параметр потока Фх, преобразуя его в поток Ф2.

ного излучения оптического диапазона волн (300...0,003 мкм). При этом используются свойства светового потока ослабляться, рассеиваться, отражаться, отклоняться при его прохождении сквозь исследуемую среду.

Оптоэлектронные приборы составляют особую группу полупроводниковых приборов; они состоят из излучателя и (или) приемника электромагнитного излучения оптического диапазона частот. В качестве излучателя обычно служит элемент, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения, а приемником является фоточувствительный элемент, преобразующий энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию.

ного излучения оптического диапазона волн (300...0,003 мкм). При этом используются свойства светового потока ослабляться, рассеиваться, отражаться, отклоняться при его прохождении сквозь исследуемую среду.

Лазер является генератором электромагнитного излучения оптического диапазона, поэтому должен содержать, во-первых, элементы, обеспечивающие накачку лазера, во-вторых, лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда.

Интегральная оптика. Одним из перспективных направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный

Под воздействием солнечных лучей кремниевый фотоэлемент создает во внешней цепи ток при напряжении порядка 0,5 В. С 1 см2 активной площади фотоэлемента получают ток 18 мА. Таким образом, с 1 м2 активной площади при прямом солнечном освещении получают мощность порядка 90 Вт. К. п. д. при этом составляет около 11 % (под к, п. д. понимают отношение получаемой мощности к мощности солнечного излучения, падающего на ту же площадь). Теоретически возможный к. п. д. солнечной батареи считают равным 22% (к. п. д. парового двигателя порядка 6%).

Для характеристики болометров используют следующие параметры: 1) сопротивление активного термистора болометра при комнатной температуре; 2) рабочее напряжение; 3) чувствительность при определенной частоте модуляции лучистого потока, равная отношению полезного сигнала, снимаемого с болометра на вход усилителя, к мощности излучения, падающего на болометр; 4) порог чувствительности, численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов болометра, т. е. порог чувствительности определяется минимальной мощностью излучения, которую при данных условиях способен зарегистрировать болометр; 5) по-

щего на фотоприемник монохроматического излучения. Энергетическая характеристика выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотоприемник. Энергетическая характеристика описывается обычно степенной функцией вида

Типичная спектральная характеристика фотоприемника изображена на 5.39. Длинноволновая граница спектра ЯГР определяет максимальную длину волны падающего на фотоприемник излучения; коротковолновая граница Кк обусловлена возрастанием поглощения излучения в пассивных областях структуры при уменьшении длины волны.

Рпд; коэффициент отражения Яф — отношение отраженной мощности Ротр от поверхности кристалла к мощности падающего излучения Рпд; коэффициент поглощения аф (см"1), численно равный значению обратного расстояния от поверхности полупроводника, на котором первоначальная мощность падающего излучения уменьшается в е раз, где е — основание натурального логарифма.

где Рпд(О) —мощность излучения, падающего на поверхность полупроводника, Вт.

Важнейшие параметры солнечного преобразователя — КПД и выходная мощность, рабочий диапазон температур Гмин—Гмакс. Выходную мощность преобразователя косвенно характеризуют ток короткого замыкания /к.3 и напряжение холостого хода Ux.x (квадрант IV на 7.4). Отношение максимальной мощности Рмакс с единицы его площади к плотности мощности солнечного излучения, падающего нормально к освещаемой поверхности, — КПД преобразователя. Выходная мощность и КПД характеризуют качество преобразователя.

В гл. 6 рассматриваются более подробно вопросы использования солнечной энергии для получения теплоты. В данной главе остановимся только на системах, предназначенных для преобразования солнечной энергии в электрическую. Начнем поэтому с рассмотрения тех характеристик, которые являются наиболее важными при этих процессах, прежде всего — спектр солнечного излучения. На 5.6 показано, как распределена по длинам волн энергия солнечного излучения, падающего в единицу времени на единицу поверхности и приходящегося на единичный интервал длин волн. Спектр, измеренный на верхней границе земной атмосферы, очень хорошо совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела при температуре 6000 К. Абсолютно черным телом называется физическое тело, которое излучает энергию во всем спектре и поглощает все падающее на него излучение независимо от длин волн. Таких тел в природе не существует, но существуют тела с очень близкими свойствами. Понятие абсолютно черного тела играет важную роль в физике. Так, решая задачу о распределении излучения абсолютно черного тела по длинам волн, Макс Планк впервые сформулировал принципы квантовой механики. В распределении солнечного излучения по длинам волн, измеренном вблизи поверхности Земли, имеются большие провалы, обусловленные поглощением излучения на отдельных частотах или в отдельных интервалах частот атмосферными газами — кислородом, озоном, двуокисью углерода — и парами воды.

У некоторых металлов при попадании света на их поверхность наблюдается эмиссия электронов с этой поверхности. Число этих электронов пропорционально интенсивности, а максимальная энергия — частоте падающего излучения. Такое поведение можно объяснить лишь при условии, что излучение состоит из фотонов, энергия которых пропорциональна 'его частоте. При столкновении с электронами фотоны передают им свою энергию. Чем больше фотонов, тем больше эмиссия электронов, при этом различным длинам волн излучения соответствуют различные энергии электронов.

Из приведенных графиков трудно сделать выводы о значении КПД. Теоретически КПД кремниевой батареи составляет лишь 45 %. Для кремния (Eg= 1,08 эВ) максимальная длина волны излучения, создающего пары дырок и электронов, А=1150 нм. Энергия части солнечного спектра с Х>1150 нм равняется 22 % полной энергии и составляет энергию потерь. При 575^?.<1150 нм в батарее используется только 1,08 эВ от каждого фотона излучения. Результирующее значение этих потерь составляет около 45 %. КПД равен отношению полезной мощности батареи к энергии излучения, падающего на ее поверхность:

В табл. 6.13 приведены значения потока прямого солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность (за 24 ч) в зависимости от месяца, для нескольких городов США. Правильно выбрав угол наклона плоскости коллектора, можно получить гораздо более высокие осредненные показатели. Солнечные коллекторы могли бы служить ценным дополнением к отопительной системе в любом населенном пункте; если даже в наихудшем случае средняя плотность потока превышает 80 Вт/м2, системы солнечного нагрева будут работать почти непрерывно, за исключением нескольких дней. Основной вопрос заключается в том, будет ли солнечное отопление стоить дороже, чем отопление мазутом пли газом. Как правило, люди не дают однозначного ответа.