Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

dycyjne lasery bazują na przejściach międzypasmowych,o tyle lasery kaskadowe wykorzystują mechanizmy przejśćwewnątrz pasma przewodnictwa. W związku z tym standardowemetody charakteryzacji laserów w wielu przypadkachzawodzą lub napotykają poważne trudności realizacyjne.Rozwinięte w trakcie realizacji projektu optyczne, elektrycznei termiczne metody pomiarowe zostaną wykorzystanedo charakteryzacji struktur laserów kaskadowych i optymalizacjitechnologii ich wytwarzania. Przewiduje się uruchomieniestanowisk badawczych, pozwalających zarówno na pomiarypodstawowych charakterystyk przyrządowych, jak i prowadzeniezaawansowanych prac badawczych, m.in. przy wykorzystaniuspektroskopii fotoprądowej. Szczególny nacisk zostaniepołożony na zrozumienie procesów optycznych w nowychstrukturach laserów i ilościowe określenie podstawowych charakterystykpoziomów i przejść biorących udział w akcji laserowej.Wyniki pomiarów wykorzystane zostaną w procesieprojektowania struktur. Efektem podjętych badań będzie opracowaniemetodyki pomiarów struktur laserów kaskadowych wytwarzanychw Instytucie Technologii Elektronowej. Uzyskanewyniki wniosą wkład w dokładniejsze zrozumienie procesówzachodzących w laserach kaskadowych o różnych konstrukcjachoraz umożliwią monitorowanie i weryfikację technologiiich wytwarzania. Zagadnienia te dotyczą aktualnej tematyki badawczejna świecie i mają charakter wybitnie nowatorski.Modelowanie struktur optoelektronikipodczerwieniCelem prac jest stworzenie narzędzi w postaci oprogramowania,pozwalającego na przeprowadzenie obliczeń i symulacjidziałania laserów kaskadowych, wykorzystując różnemetody obliczeniowe, szczególnie metodę nierównowagowejfunkcji Greena. Stworzone oprogramowanie pozwoli nauwzględnienie wpływu rozmaitych procesów rozproszenianośników ładunku jak również na uwzględnienie faktu, iż staładielektryczna oraz masa efektywna nośników ładunku(w strukturach z wieloma studniami kwantowymi) jest funkcjąwspółrzędnych przestrzennych. Kolejny obszar badań dotyczywykorzystania metody Monte Carlo do badań kinetykinośników dla przypadku realistycznych nanostruktur półprzewodnikowychprzydatnych w kwantowych laserach kaskadowych.Cel ten zostanie zrealizowany poprzez stworzeniestosownego zestawu kodów komputerowych. Następnie, powstałeoprogramowanie zostanie wykorzystane do ilościowegoopisu właściwości fizycznych najbardziej obiecującychstruktur półprzewodnikowych. Podjęte też zostaną prace nadprzystosowaniem istniejących metod obliczeniowych do modelowaniawłaściwości fizycznych supersieci II rodzaju stosowanychw detektorach bliskiej i średniej podczerwieni.Praktyczny cel badań sprowadza się do dostarczenia wiarygodnychnarzędzi obliczeniowych i metod pomiarowych wspomagającychprojektowanie kwantowych laserów kaskadowychi detektorów podczerwieni.Systemy i urządzenia pomiarowe działającew obszarze średniej i dalszej podczerwieniOpracowanie półprzewodnikowych źródeł podczerwienii sprzężonych z nimi układów detekcyjnych pozwoli na budowęminiaturowych czujników zanieczyszczeń gazowych. Sensoryte, jako bardzo precyzyjne narzędzie pomiaru stężeniaróżnych gazów, coraz częściej wypierają w monitorowaniu środowiskadotychczas stosowane czujniki elektrochemiczne,półprzewodnikowe i grawimetryczne. Nowoczesne metodyRys. 4. System detekcji gazów firmy Aerodyne (USA) o czułościsub-ppb, w którym wykorzystywane są polskie detektory IR firmyVigo SystemsFig. 4. Gasses detection system with sub-ppb sensitivity (Aerodyne- USA) using IR detectors from Vigo Systemsi technologie optoelektroniczne, stosujące układy generacji,wzmacniania, modulacji, detekcji, rejestracji i przetwarzaniapromieniowania z zakresu podczerwieni, wykorzystują takiezjawiska fizyczne, jak: absorpcja, fluorescencja, dyfrakcja i rozpraszanie.Umożliwia to nie tylko zlokalizowanie skażeń i zanieczyszczeńoraz dokonanie ich identyfikacji, ale równieżokreślenie koncentracji w czasie rzeczywistym. Ponadtomożliwa jest zdalna detekcja zanieczyszczeń oraz pełna automatyzacjapomiarów poprzez zintegrowanie różnych systemówelektrooptycznych w procesie akwizycji, przetwarzaniai transmisji danych. Przykładowy system detekcji gazów (Aerodyne- USA) przedstawiony jest na rys. 4.Większość urządzeń optoelektronicznych stosowanych domonitorowania środowiska zbudowana jest ze sprzężonegoukładu nadajnik-odbiornik. Przestrzeń między nadajnikiemi odbiornikiem w istotny sposób wpływa na końcowy wynikanalizy danych. Na propagację promieniowania laserowegow atmosferze mają wpływ trzy główne zjawiska: osłabianie intensywnościpromieniowania w wyniku pochłaniania (absorpcji)i rozpraszania; zniekształcenie frontu falowego podwpływem turbulencji i refrakcyjne odchylanie wiązki laserowej(to ostatnie zjawisko nabiera znaczenia przy transmisji promieniowaniana duże odległości). Tłumienie promieniowaniaw atmosferze wywołane jest głównie molekułami pary wodnej,dwutlenku węgla i ozonu.Transmisja atmosfery w paśmie długości fal 0,5...14 µmwykazuje kilka charakterystycznych przedziałów, gdzie przeźroczystośćjest najwyższa: 0,5...0,8 µm, 0,95...1,05 µm,1,15...1,35 µm, 1,5...1,8 µm, 2,1...2,4 µm, 3,3...4,2 µm,4,5...5,1 µm oraz 8...12,5 µm. W pasmach tych, zwanych„oknami atmosferycznymi”, powinny pracować urządzenia domonitorowania skażeń i zanieczyszczeń atmosfery.W tabeli zestawiono podstawowe parametry spektroskopowewybranych substancji chemicznych prezentujące potencjalnemożliwości ich detekcji z wykorzystaniem metodoptoelektronicznych w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni.Metody spektroskopii absorpcyjnej są niezwykle czułymi wiarygodnym narzędziem pomiarowym. Typowym obszaremich zastosowań jest kompleksowe monitorowanie zanieczyszczeńatmosfery w różnych warunkach (otwarte przestrzenie,pomieszczenia, rozpoznawanie skażeń z powietrza).Wzrastające zapotrzebowanie na proste w budowie, niezawodnei niedrogie urządzenia do automatycznego wykrywaniai ciągłego monitorowania zanieczyszczeń i skażeń powietrzastanowi impuls do opracowania i wejścia na rynek nowej generacjiprzyrządów - analizatorów sensorowych.ELEKTRONIKA 5/2009 27