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1 Condições para laser A emissão estimulada produz um ganho neto g por unidade de comprimento. O número de fótons pode ser mantido num processo de múltiplas reflexões de amplificação numa cavidade de comprimento L, com espelhos de refletividade R1 e R2 resultando na seguinte condição de laser: Se a amplificação < 1, então o número de fótons diminui de forma estável. Se a amplificação > 1, então o número de fótons aumenta e não será obtido um valor de estado estacionário. Por tanto o ganho requerido para ação laser é: Inicialmente o ganho é negativo se não for aplicado uma corrente no diodo laser a medida que a absorção domina na guia de onda. A medida que a corrente aumenta, a absorção decresce e o ganho aumenta 2 Condições para laser A corrente para o qual satisfaz o ganho para a emissão de laser é a corrente de gatilhamento, ponto de início, ou limiar (threshold) Ith . Para valores menores de corrente, há uma emissão de luz muito fraca que vem da estrutura do laser. Para valores maiores, a potência de saída aumenta linearmente com a corrente aplicada a medida que cada par elétron-buraco é convertido em fóton, assim: O fator h indica que somente uma fração dos fótons gerados contribui com a potência de saída do laser, desde que os fótons são perdidos através dos espelhos e da guia de onda. dispoptic-2013 3 Geometria de uns dos primeiros diodos laser. (a)Utiliza sc fortemente dopados em ambos lados da junção. (b) Resultando num diagrama de níveis de energia em que o nível de Fermi é cte através do dispositivo sem corrente. (c) Com polarização direta, os níveis de Fermi se desdobram devido à injeção de portadores de carga minoritários (elétrons dentro de p e buracos dentro de n) e existe uma região próxima à junção em que há simultaneamente tanto uma alta densidade de elétrons como tb de buracos. Devido à alta mobilidade dos elétrons em relação aos buracos, a maior parte da injeção é por elétrons dentro de p que recombinam com os buracos majoritários após difundir uma distância d = Ln = (Dt) 1/2. e.g. GaAs: Diodo laser de homojunção 4 Campo de radiação de um diodo laser dispoptic-2013 5 Diodo laser de heterojunção Série de desvantagens com diodos de homojunções conduzem à procura por outros tipos de junções, neste caso heterojunções. E.g. GaAs com AlxGa1-xAs dispoptic-2013 6 Efeitos quânticos nas junções (a) Concentração de Al em função da profundidade na junção (b) Variação correspondente no índice de refração (c) Variação respectiva na banda proibida Laser de cavidade vertical de emissão superficial dispoptic-2013 7 8 Diodo laser de emissão superficial (vertical cavity surface emitting laser) dispoptic-2013 9 VCSEL 10 VCSEL (a) Metalic Reflector VCSEL (b) Etched Well VCSEL 11 VCSEL http://britneyspears.ac/physics/vcsels/vcsels.htm (d) Burried Regrowth VCSEL (c) Air Post VCSEL 12 OLED´s 13 Estrutura do OLED dispoptic-2013 14 Componentes do OLED 1. Substrato: plástico ou vidro ou folha de mat transp. 2. plástico 15 Oled 16 Vantagens e desvantagens Led vs OLED • Maior ângulo de visão • Alto brilho e contraste • Não requer luz de fundo • Fino • Baixo consumo 17 Tela LCD e OLED Interpretação do diagrama de cromaticidade CIE 18 dispoptic 2013 Diagrama que caracteriza as cores por um parâmetro Y de Luminância e duas coordenadas de cores x e y que especifica o ponto no diagrama de cromaticidade. Color name Red Green Blue Red 191 27 75 Pink 245 220 208 Reddish orange 216 119 51 Orange pink 240 204 162 Orange 228 184 29 Yellowish orange 231 224 0 Yellow 234 231 94 Greenish yellow 235 233 0 Yellow green 185 214 4 Yellowish green 170 209 60 Green 0 163 71 Bluish green 24 162 121 Bluegreen 95 164 190 Greenish blue 110 175 199 Blue 92 138 202 Purplish blue 88 121 191 Bluish purple 92 102 177 Purple 246 85 158 Reddish purple 196 64 143 Purplish pink 243 208 219 Red purple 175 35 132 Purplish red 209 65 136 White 255 255 255 19 LED dispoptic 2013 20 Eficiência APRIL 30, 2009 http://www.cree.com/press/pre ss_detail.asp?i=12410948427 32 The cool white XLamp XP-G provides 139 lumens and 132 lumens per Watt at 350 mA. ======================= http://www.tradelineinc.com/re ports/9C8406DD-0BD1-8F11- AFA619E5A82A1358 Published March 30 2010 The DOE projects that common LEDs will reach efficacy ratings approaching 150 LPW by the year 2012. As of this writing, efficacy ratings for SSL-LEDs have now surpassed Energy Star rated fluorescents and General Electric has announced a prototype LED with an efficacy exceeding 160 LPW. ======================= February 3, 2010 Cree reported efficacy record of 208 lumens per watt for a white power LED Artigo + Eficiencia APRIL 30, 2009 http://www.cree.com/press/press_detail.asp?i=1241094 842732 The cool white XLamp XP-G provides 139 lumens and 132 lumens per Watt at 350 mA. 21 http://www.kickstarter.com/projects/619878070/nanolight-the-worlds-most-energy- efficient-lightbu A new LED lightbulb that is the most energy efficient on the planet. The NanoLight takes energy efficient lighting to the next level. NanoLight – the world’s most Energy Efficient Light Bulb Why use any old lightbulb when there’s the NanoLight! Using only 12 watts of electricity, the NanoLight generates over 1600 lumens, equivalent to a 100W incandescent lightbulb. Evolução e comparação de eficiência de lâmpadas 22 100 W 16 lm/w 24 W 66 lm/w 20 W 80 lm/w 12 W 133 lm/w vídeo Entretanto o Led avança em outras áreas • Comercialização do Led comum está estabilizado • Fabricação e comercialização de Led para iluminação está aumentando. 23 dispoptic 2013 Sabiam que... • A partir de 1/1/2012 foi proibido a fabricação de lâmpadas de tungstênio de 100W? • A partir de 1/1/2013 foi proibido a fabricação de lâmpadas de tungstênio de 75W? 24 E o futuro? 25 26 Dispositivos detectores ópticos 27 Sistema de comunicações ópticas dispoptic 2013 28 Diagrama funcional de um receptor 29 Dispositivos detectores de luz • Geral • Figuras de mérito num detector • Fotomultiplicadora PMT • Fotodiodos: PIN, APD • Outros 30 Algumas considerações dispoptic 2013 • Historicamente: tubo a gás, tubo a vácuo, térmico e vários dispositivos semicondutores • Vantagens – desvantagens • Que parâmetros são recomendáveis para observar na escolha de um detector: – Faixa espectral – Intensidade – Tempo de resposta – Condições ambientais – Custo dispoptic 2013 31 Curva de atenuação espectral 32 Curva de atenuação espectral 33 Tipos de detectores Fotônicos• Fotoemissão • Fotocondutividade • Fotovoltaico • Filme fotográfico Térmicos • Abs de fótons gera DT (bolômetro) • Termopilha • Piroelétrico Geralmente lentos, com exceção do piroelétrico Resposta uniforme em toda a faixa espectral 34 Definições e Figuras de mérito R = Responsividade t = Constante de tempo NEP = Noise Equivalent Power D* = Detectividade • Qual é o mínimo de luz que o detector permite acusar o ruído? • Que sinal será obtido por unidade de irradiança? • Como o sinal do detector muda com l? • Qual é a freqüência de modulação que o detector pode responder? 36 Definições – Constante de tempo tc Constante de Tempo tc: Se a saída de um detector muda exponencialmente com o tempo, o tempo requerido para que mude desde seu valor inicial por uma fração [1-exp(-t/tc)] para t=tc do valor final é denominado constante de tempo dispoptic 2013 e = 2,71828182845904523536028747135266... E nunca termina ( = (1 + 1/n)n ) existem várias representações de e e-1 = 0,367879441...... 1- e-1 = 0,632120558....... Wiki & http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/HistTopics/e.html 37 Definições – NEP (Noise Equivalent Power) dispoptic 2013 NEP (potência equivalente de ruído). A sensibilidade de um detector pode ser especificada pelo seu NEP, um parâmetro definido como a potencia radiante incidente sobre o detector que produz um sinal igual à raiz quadrática media (rms) do ruído do detector. Podemos considerar a relação com a responsividade: NEP = VN/RP NEP = IN/RI Lembrar: Onde VN e IN são voltagem e corrente do ruído, das respectivas responsividades R do detector. Como a responsividade depende do comprimento de onda também o NEP depende. 38 NEP = Noise Equivalent Power NEP = valor rms da potência modulada senoidalmente que incide sobre o detector o qual oferece uma voltagem do sinal rms igual à voltagem de ruído rms do detector. • Especificada normalmente em termos de uma fonte de Rad. de Corpo Negro @ 500K • Largura de banda de referência para detecção do sinal e ruído de 1 ou 5 Hz • Freq. de mod. da rad.: geralmente 90, 400, 800 ou 900 Hz. • e.g. NEP(500K,900,1), significa uma fonte de rad corpo negro @ 500K, freq. de modulação de 900 Hz, e largura de banda de detecção de 1 Hz • Unidades de NEP [W Hz-1/2] • I = intensidade radiante que incide no detector [W m-2] • A = área sensitiva do detector [m2] • Vs = voltagem do sinal medida com Df [Hz] • Vn = voltagem do ruído medido com Df [Hz] Então: 39 Alguns valores NEP dispoptic 2013 http://www.judsontechnologies.com/ImagePDFfiles/32A.pdf 40 D* = Detectivity • D* antigamente definido como 1/NEP • Porém muitos detectores atuais exibem um NEP proporcional à raiz quadrada da área do detector • Especificações tb condicionadas na NEP • e.g. D*(500 K,900,1) • Para especificar a dependência do detector com l, é usada a notação D*(l,900,1) • Unidades de D* [Hz1/2 W-1] 41 Alguns valores de D* dispoptic 2013 BLIP = Background Limited Performance 42 • A resposta R de um detector especifica sua resposta à unidade de irradiança R = Resposta (responsividade) Onde Vs = voltagem sinal I = densidade de potência A = área do detector • Outra notação para a responsividade R em termos da corrente de saída do detector e utilizada para caracterizar detectores fotoemissivos é a sensitividade radiante S, que é a corrente por unidade de área da superfície fotoemissiva produzida por uma unidade de irradiança • Is é a corrente total do detector e P é a potência radiante incidente. 43 Alguns valores de D* e R - InGaAs Para diferentes cutoff 44 Judson – InGaAs e Ge InGaAs em diferentes “cutoff” Ge 45 Algumas curvas de resposta espectral e sensibilidade radiante dispoptic 2013 46 Resposta de freqüência e constante de tempo • A resposta de freqüência de um detector é definida pela variação da resposta R ou sensibilidade radiante em função da freqüência de modulação da radiação incidente. • A variação em freqüência da resposta R e a constante de tempo t estão geralmente relacionadas a través da equação: • Curva típica da dependência da resposta com a freqüência de um detector 47 Ruído • A flutuação randômica na voltagem de saída ou corrente de um detector estabelece um limite inferior à potencia radiante que pode ser detectada, dentro das condições de operacionabilidade (temperatura, freqüência de modulação e largura de banda) dispoptic 2013 48 • Ruído de fótons – Tb denominado “shot noise” ou ruído quântico, estatística de Poisson. • Ruído de fotoeletrons – Processo de fotodetecção randômico Fontes de ruído no detector (receptor) • Ruído de ganho –eg. Processos de ganho em APD’s e EDFA’s gera ruído. • Ruído no circuito receptor –Resistores e transistores no amplificador contribuem ao ruído do circuito. dispoptic 2013 PD sem ganho PD com ganho (APD) dispoptic 2013 49 Ruído 2 2 Noise Power=4 4 4 n n rms rms V kTB i R R kTB i V kTRB R 2 m spectral density= V /Hz for FETs 4kT K= g where is the FET corner frequency and is the channel noise factor c c K f f f Frequency N o is e P o w e r Frequency N o is e P o w e r Frequency N o is e P o w e r 1/f noise Fc Ruído Johnson (Gaussiano e branco) ( ) 1/2 1/22 rms noise current 2ni qIB Shot noise (Gaussiano e branco) Ruído “1/f” 50 Eficiência quântica Correspondência direta entre # de fótons absorvidos e # de portadores de carga gerados que são subseqüentemente usados no circuito elétrico 51 Detectores fotoemissivos • Baseados no efeito fotoelétrico e geração de portadores de carga. • Fotodiodos à vácuo e à gás, PMT e Photo-channeltron dispoptic 2013 52 Fotomultiplicadora - PMT • Impacto inicial sobre material fotoemissivo • Posterior emissão secundaria de elétrons a través de dinodos • Multiplicação considerável de elétrons • Ganho de 109 elétrons no anodo por fotoelétron (pulso) • Ganho de 107 em modo continuo • E.g. pulso de 2ns no anodo com 109 fotoelétrons gera 4V numa RL de 50 • Contador de fótons • D* até 1016 cm Hz1/2 W-1, só o olho humano é capaz de detectar 10 fótons no azul que se aproxima a esse valor. 53 Características essenciais na montagem de PMT dispoptic 2013 54 Corte transversal de uma PMT dispoptic 2013 55 Algumas características dos dinodos • Muitos materiais emitem, em média, d novos elétrons por cada elétron que colide na sua superfície. • Se a energia cinética do elétron incidente for suficientemente energética, entre 100 e 200 eV, então d > 1, teremos amplificação • Assim teremos para N dinodos a geração de dN elétrons dispoptic 2013 56 http://www.olympusmicro.com/primer/flash/photomultiplier/index.html dispoptic 2013 57 Superfícies fotoemissivas de PMT’s 58 Multiplicador de elétrons ou channeltron dispoptic 2013
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