Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Optik Elektronik 1. Elektromanyetik spektrum Elektromanyetik spektrum, cok uzun dalgaboylu radyo dalgalari bolgesinden, cok kisa dalgaboylu kozmik isinlar.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Optik Elektronik 1. Elektromanyetik spektrum Elektromanyetik spektrum, cok uzun dalgaboylu radyo dalgalari bolgesinden, cok kisa dalgaboylu kozmik isinlar."— Sunum transkripti:

1 Optik Elektronik 1

2 Elektromanyetik spektrum Elektromanyetik spektrum, cok uzun dalgaboylu radyo dalgalari bolgesinden, cok kisa dalgaboylu kozmik isinlar bolgesine kadar uzanan bolgedir. Optik elektronikte kizilotesi (infrared), gorunur isik bolgesi ve mor otesi (ultra violet) bolgesi ile ilgilenecegiz. Dalga boyu olarak 1 mm ile 1 nm arasindaki bolge ile ilgilenecegiz.

3 Elektromanyetik spektrum

4 Isik dalgasi turleri Boyuna dalgalar (ses dalgalari) Enine dalgalar (su yuzeyindeki dalgalanmalar) Elektromanyetik dalgalar (radyo dalgalari)

5 Dalga boyu, hiz, periyot iliskisi λ: Dalga boyu (m) v: Dalganin yayilim hizi (m/s) T: Dalganin periodu (s) f=1/T (Hz) λ= vT = v / f c = 3x10 8 (m/s) isigin bosluktaki yayilim hizi

6 Dalga boyu, hiz, periyot iliskisi Ornek: Kripton 80, Amerika’da uzunluk standardini olusturmak icin kullanilan bir gazdir ve 4,948865x10 14 Hz frekansinda titresim yayar. Bu titresimin periyodunu bulunuz. Cozum: T = 1/f = 1/4,948865x10 14 = 0, x (s)

7 Dalga boyu, hiz, periyot iliskisi Ornek: Bir onceki ornegi dikkate alirsak, Kripton 80’nin yaydigi titresimin dalga boyu kac metredir. Cozum: λ= vT = 3x10 8 x0, x ≈ 6,06x10 -7 (m)

8 Dalga boyu enerji iliskisi Alman fizikci Max Planck, electromanyetik enerjinin kucuk ayrik parcaciklar halinde olustugunu ileri surdu. Planck bu enerji parcaciklarina kuanta adini verdi. E = h f λ f = c E: kuantum enerjisi (J) h: Planck sabiti 6,626x (Js) f: frekans (Hz)

9 Dalga boyu enerji iliskisi Ornek: 555 nm dalgaboyundaki elektromanyetik dalganin enerjisini bulunuz. Cozum: E=6,626x x(3x10 8 / 555x10 -9 ) E=3,582x J

10 Radyasyon dedektorleri 1.Termal dedektorler 2.Fotoelektrik dedektorler 3.Pnomatik dedektorler 4.Kimyasal dedektorler 5.Biyolojik dedektorler

11 Termal dedektorler 1. Termokupl Iki farkli metalin birlesiminden olusmustur. Birlesme noktasinin sicakligi degistiginde, bir elektromagnetik kuvvet olusur. Bu elektromagnetik kuvvetin buyuklugu, sicaklikla dogru orantilidir ve kullanilan metallerin cinsine baglidir. Termokupl ile, multimetre kullanarak sicaklik olcumu

12 Termal dedektorler 2. Termopile Tek termokupl’un, sicaklik degisimine verdigi tepki cok kucuk oldugundan, genellikle termometre olarak kullanilir. Bu tepkiyi arttirmak icin birden fazla metal kontakt seri olarak, buharlastirilmis ince film teknigi kullanilarak baglanir. Bu yapiya termopile adi verilir.

13 Termal dedektorler 3. Bolometre En populer termal dedektor tipidir. Sezici eleman yuksek sicaklik katsayili bir direnctir. Artan sicaklik ve malzemenin sicaklik katsayisi direnc degisimine sebep olur. Temel bolometre devresi

14 Termal dedektorler Metal bolometre: Yuksek sicaklik katsayili bizmut, nikel veya platin gibi bir metal kullanilir. Sicaklik katsayisi %0,3-%0,5 1/C˚ dir. Bu sicaklik katsayisi cok dusuk oldugundan metal bolometrenin seziciligi iyi degildir. Daha hizli tepki suresi icin, cok ince film serit temel malzeme uzerine uygulanir. Termistor bolometre:Basitligi ve yuksek seziciliginden dolayi cok yaygindir. Hirsiz alarmlarinda, duman dedektorlerinde ve benzeri cihazlarda uygulanir. Sezici eleman manganez, kobalt, nikel oksit gibi bir metalden yapilmis termistordur. Termistor yuksek sicaklik katsayisina sahiptir.

15 Termal dedektorler Dusuk sicaklikli germanyum bolometre: Seziciligi yuksek, laboratuvar tipi, sezici eleman olarak germanyum kullananilan bolometre tipidir.

16 Pyrolitic dedektor Seziciligi en fazla olan termal dedektor tipidir. Bazi dielektrik malzemelerin isiya bagli olarak polarizasyon degisimi ozelligi vardir. Pyrolitic dedektor bu esasa gore calisir. Sicakligin fonksiyonu olarak dielektrik sabiti degisimi elde edilir. Bu dielektrik kullanilarak, kapasitesi sicaklikla degisen kondansator yapilabilir ve bu kondansator sicaklik dedektoru olarak kullanilabilir.

17 Pnomatik dedektorler Golay cell en genis uygulama alanina sahip dedektordur. Kapali bir tupun icinde isitilan gazin genlesmesine esasina gore calisir. Genlesme miktari elektrik veya optik bir cihazla dedekte edilir. Golay cell oda sicakliginda calisir ve milimetre bolgesine kadar uzanan cok genis bir spektral araliga sahiptir. Tepki suresi tipik olarak 2 ile 30 ms arasindadir (D*=10 9 iken).

18 Kimyasal ve biyolojik dedektorler Fotograf filmi kimyasal dedektorlere ornek olarak verilebilir. Uzerine dusen isik film uzerinde kimyasal bir tepkimeye sebep olurlar. Insan gozu ise biyolojik dedektorlere ornek olarak verilebilir. Her iki dedektoru digerlerinden ayiran en onemli ozellik, kontrol cihazlariyla kontrol edilebilen elektriksel bir cikislari olmamasidir. Fakat, bazi ozel olcme ve iletisim cihazlariyla kullanilabilirler.

19 Fotoelektrik dedektorler Uzerine dusen foton radyasyonu sonucunda elektron salinimi yapan cihazlardir. Baslica iki guruba ayrilirlar. Harici ve dahili fotoelektrik dedektorler. Sekilde her iki tip fotoelektrik dedektorun karekteristikleri gorulmektedir.

20 Vakum fotodiyodu Vakum fotodiyodu: En eski elektronik dedektordur. Bir cam tup icine yerlestirilmis katot ve anottan olusur. Katot uzerine isik dustugunde, elektron salinimi yapar ve bu elektronlar pozitif yuklu anota dogru ilerlerler. Bunun sonucu olarak, katot uzerine dusen isik siddetiyle orantili bir akim olusur. Fotodiyotun tepki suresi (response time) cok kisadir.

21 Fotomultiplier Fotomultiplier ve mikrokanal: Fotomultiplier, dusuk gurultulu bir kuvvetlendirici iceren bir fotodiyottur. Kuvvetlendirici, dynode olarak adlandirilan pozitif olarak yuklenmis bir sira anot icerir.

22 Mikrokanal Mikrokanal fotodedektor: Fotomultiplier ile ayni prensipte calisir. Elektron demeti direkt olarak kuvvetlendirilir. Elektron demetinin kuvvetlendirilmesi cam tup icersinde gerceklesir. Tupun ic kismi silikon oksit, kursun ve alkali bilesikleriyle kaplanmistir. Bu kaplamanin ozelligi, her elektron carptiginda elektron demetinin kazancini iki katina cikartmasidir. Yuksek voltaj uygulanmis iki elektrot elektronlarin katottan anota dogru hizlanmasini saglar. Kanal sonunda elektronlar bir anot veya fosfor ekrana yonlendirilir.

23 Dahili fotoetki fotoelektrik dedektorler Dahili fotoetki sezicilerinde, harici tiplerde oldugu gibi, fotonlar elektron salinimina sebep olurlar. Fakat elektronlar, fotosezici ortam icinde kalirlar veya ortamin iletkenligini degistirirler ya da akim uretirler. Dahili fotoetki sezicilerinin tamami yariiletken cihazlardir. Ucuzluklari, guvenilirlikleri, kucuk boyutlari ve cok yonlu kullanimlarindan dolayi modern optoelektronik teknolojisinin yapi tasidirlar.

24 Fotoiletkenler (LDR) Fotoiletkenler, uzerine isik dustugunde elektron salinimi yapan yariiletkenlerdir. Sonucta, yariiletkenin iletkenligi artar. Calisma prensibi fotodiyot ile aynidir. Uzerine dusen fotonun enerjisi, elektronlarin enerji esigini gecebilecegi ve serbest hale gecip yuk tasiyabilecegi kadar buyuk olmalidir. Serbest hale gecen bir elektron, bir bosluk veya bir delik olusturur. Bu bosluk ta bir yuk tasiyicisidir.

25 Fotoiletkenler (LDR) Fotoiletkenin spektral cevabi, yapisinda kullanilan malzemenin enerji araligi tarafindan belirlenir. Fotonun enerjisi, yayilim frekansiyla dogru orantili (veya dalga boyu ile ters orantili) oldugundan, bir yariiletkenin sogurabilecegi isigin maksimum dalga boyu enerji araligindan hesaplanabilir: λ max =1240/ΔE λ max : yariiletkenin sogurabilecegi maksimum dalga boyu (nm) ΔE : yariiletkenin enerji araligi (eV) Bazi yariiletkenler ile enerji araliklari ve maksimum dalga boylari yandaki tablo ve sekilde gorulebilir.

26 Fotoiletkenler (LDR) Bir fotoiletkenin kutuplama devresinde kullanimi yandaki sekilde gosterilmistir. Devre direncindeki goreceli degisim, R L yuk direncinden dolayi kucuktur. R C ve R L nin secimi cikis voltajini da etkiler.

27 Jonksiyon fotodiyodu Ledde kullanilan jonksiyona benzer sekilde P ve N tipi katkilanmis yari iletken maddeden olusmustur. Uzerine dusen fotonlar yariiletken tarafindan absorbe edilir ve jonksiyon boyunca serbest tasiyicilar (elektron ve delikler) meydana gelir.

28 Jonksiyon fotodiyodu Jonksiyon fotodiyodunun spektrum cevabi ve karekteristigi yapisinda kullanilan yariiletken malzeme tarafindan belirlenir. Cok kullanilan jonksiyon fotodiyodu tipleri; Planar difuzyon diyodu PIN diyodu Schottky fotodiyodu Avalanche fotodiyodu

29 Fotovoltaik veya gunes pilleri Uzerine dusen fotonlarin enerjisini verimli bir sekilde elektrik enerjisine cevirir. Bir yariiletken diyottan elde edilecek enerji cok kucuktur ancak sandvic tipi yapi ile daha fazla enerji saglanabilir.

30 Fototranzistorler ve fototristorler Fototranzistorler ve fototristorler kuvvetlendirme yapan foto sezicilerdir (aktif foto sezici). Kuvvetlendirme yapan foto sezicilerde avalanche fotodiyodunun aksine birden fazla p-n jonksiyonu mevcuttur. Fototristor terimi bircok foto sezici cihazi belirtmek icin kullanilir. Foto SCR ve Fototriac gibi.

31 Fototranzistorler ve fototristorler Daha onceki foto dedektorlerle karsilastirildiginda fototranzistorler ve fototristorler duyarlilik, tepki suresi ve lineerlikte kotudurler. Fakat avantajlari kuvvetlendirme yapmalaridir. Dezavantajlarina ragmen ucuz ve guvenilir anahtarlama ve kontrol cihazlaridirlar. Bir fototranzistor aslinda tranzistorlu bir yukseltici ile kullanilan fotodiyottur.

32 Fotodarlington Fototranzistorlerle karsilastirildiginda fotodarlingtonlar daha yuksek akim ve duyarlilik saglarlar. Ornek: β 1 =β 2 =200 olan iki tranzistorden olusan fotodarlington yapisinda, I B1 =5 μA, I E1 ve I C2 nin degeri nedir?

33 Fototristorler Tristorler, elektriksel olarak kontrol edilen anahtarlardir. Fototristorlerle mW lar seviyesindeki kontrol gucleri kullanilarak kW lar seviyesindeki gucleri kontrol etmek mumkundur. Iki tip sikca kullanilir; SCR (Slicon Controlled Rectifier) TRIAC

34 LED’ler ve isima karekteristikleri LED’ler, en populer optoelektronik isik kaynaklarindan biridir. Ucuz olmalari, cok dusuk guc tuketimleri ve gunumuz elektronik devrelerine cok kolay adapte edilebilmeleri yaygin olarak kullanilmalarini saglamistir. Tum yariiletken diyotlarda, iletim bandindaki elektronlar, valans bandindaki deliklerle birlestiginde radyasyon uretilir. Normal diyotlardaki radyasyon uzun dalgaboyundadir (kizilotesi bolgesi) ve yariiletkeni cevreleyen kilif tarafindan absorbe edilir. LED’lerde ise yariiletken yuksek enerji araligina sahiptir ve olusan radyasyon disariya yayilabilir.

35 LED’in yapisi LED, n-tipi katkilanmis, GaP veya GaAsP taban uzerine, p-tipi katkilanmis ince saydam bir GaP tabakanin birlestirilmesinden olusmustur. p-n jonksiyonunda elektronlar ve deliklerin birlesmesiyle isik meydana gelir ve saydam ust kisimdan yayilir.

36 LED’in yapisi p ve n tipi katkilanmis bolgeler saydamdir. N tipi katkilanmis bolgenin tabani yansitici bir kaplama ile kaplanmistir. Isik bu bolgeden yansir. Saydam bolgelerden gecerek disari cikar.

37 LED’in yapisi Bazi cok kullanilan led tipleri ve isima paternleri yanda gorulmektedir. (a) ve (b) deki T-1 ¾ ve T- 1 kilif tipleri LED’in capini 1 inch’in 1/8’i oraninda belirtmektedir.

38 LED’in elektrik ve optik karekteristigi LED, bir yariiletken diyot oldugundan, karekteristigi normal p-n diyoduna benzer.

39 Elektroluminans kaynaklari Iki tip elektroluminans kaynagi mevcuttur. Enjeksiyon veya DC kaynak (LED) AC kaynak (Elektroluminans panel)

40 Elektroluminans panel Elektroluminans panel aslinda bir kapasitordur. Dielektrik kismi icersine elektroluminans pigmentleri sacilmistir. Bu pigmentler genellikle yariiletken fosfordur. AC voltaj uygulandiginda radyasyon (isik) yayilir. Radyasyonun disari cikmasi icin elektrotlardan birisi saydam yapilmistir.

41 Elektroluminans display (gosterge) Elektroluminans panel, kucuk bazi degisikliklerle dot matrix panel olarak basarili bir sekilde kullanilabilir. Cok sayida elektroluminans panel matrix seklinde dizilerek buyuk boyutlu gosterge olusturulur. Satir ve sutunlardan olusan bu gostergede ilgili satir ve sutuna voltaj uygulanarak calismasi saglanir. Her bir gosterge elemanina pixel denir.

42 Vakum florasan gosterge Vakum florasan kaynagi yuksek hizli elektronlar tarafindan bombardiman edilen vakum icersindeki bir yariiletkenden (genellikle fosfor) olusur. Vakum florasan kaynagi vakum tupune cok benzerdir. Vakum florasan gostergelerin, parcali dot matrix, bar grafik veya XY grid tipleri mevcuttur.

43 CRT tupleri CRT (Cathode Ray Tube) cok yonlu ve yuksek cozunurluklu bir gostergedir. Eger bir gostergede birkac bin tane karekter gerekiyorsa CRT benzersizdir. CRT’nin dezavantaji, buyuk boyutu ve yuksek voltaj gereksinimidir. CRT, kapali bir tup icinde, bir ucunda elektron yayan elektron tabancasi ve bu elektronlari yonlendiren ve kontrol eden fokuslama sisteminden olusur. Bu sekilde hizlanan elektronlar, fosfor kapli ekrana carparak isik yayarlar. Yayilan isigin rengi elektronlarin hiziyla iliskilidir.

44 Gaz plazma isik kaynagi Gaz plazma lamba, genellikle dusuk basincli neon gaziyla doldurulmus iki elektrotlu kapali bir tuptur. Gaz plazma lambalari yuksek voltaj gereksinimleri sebebiyle modern elektronik devrelere uygun degillerdir ve onemlerini kaybetmislerdir.

45 Plazma display (gosterge) Plazma lambalarin modern versiyonu, duzlemsel sekilde parcali gosterge olarak tasarlanmistir. AC plazma gostergede biraz farkli bir prensip kullanilmistir. Elektrotlar, parlakligi arttirmak icin hafizaya sahip bir dielektrikle ekranlanmistir. Bu sistem flat panel parcali dot matrix gostergelerde de uygulanir. Plazma gostergeler 1 milyon pixele kadar yuksek cozunurlukte uretilebilirler. 50 feet (15 metre)’e kadar mesafelerde buyuk boyutlu uygulamalar icin mukemmeldirler. Plazma cihazlar yuksek voltaj gerektirir (tipik olarak 200 VDC). Bu problem DC-DC ceviriciler kullanilarak cozulmustur.

46 LCD (Likit Kristal Gosterge) Optik olarak malzemeler saydam ve opak olarak siniflandirilirlar. Opak malzemelerle ayni gorsel sonucu veren baska bir malzeme sinifi daha vardir. Ancak farkli bir prensiple calisirlar. Bu malzemeler polarizer (kutuplu) olarak adlandirilirlar. Dairesel polarizasyonlu veya rastgele polarizasyonlu isik dalgasi malzemenin icinden gectiginde enerjisi azalir fakat genligi azalmaz. Bu malzemeler belli polarizasyondaki dalgalari yutarlar. Bu teknik LCD’ye uygulanmistir. 3 cesit LCD gosterge bulunur. –Transmissive gosterge: Arkasinda bir isik kaynagi gerekir. –Reflective gosterge: Ortamdaki isik LCD gostergeden yansiyarak izleyiciye ulasir. –Transreflective gosterge: Ilk iki tip gostergenin birlesimidir. Bu yuzden cok genis ortam isik siddeti araliginda kullanislidir.

47 LCD gostergeler Avantajlari Cok dusuk guc harcamasi (200 nA/mm2) Dusuk voltaj gereksinimi (1,5-5V) CMOS’lar ile uyumluluk Gunes isiginda bile okunabilirlik Kullanimda esneklik (kolaylikla parcali dot matrix gostergelere adapte edilebilirler) Dezavantajlari Cok kullanilan transreflector tipi, cok dusuk ortam isik siddetlerinde kullanisli degildir Tepki suresi bircok uygulamada cok yavastir Gorus acisi sinirlidir LCD gostergeler sicakliga karsi cok hassatirlar

48 Bar grafik gostergeler Basitlikleri ve ucuzluklarindan dolayi bar grafik ve parcali gostergeler bircok alanda kullanilmaktadirlar. Parcali gostergeler, dijital saatler, termometreler ve otomotiv endustrisi gibi bircok alanda kullanilirlar. Bar grafik gostergeler analog cihazlarda seviyemetre, indikator gibi uygulamalarda kullanilirlar. Bar grafik gostergeler iki gruba ayrilirlar; Bar grafik Pozisyon (konum) indikator

49 Bar grafik ve position indikator uygulama devreleri a) Bar grafik gostergeli voltmetre b) Position indikatorlu voltmetre

50 Parcali gostergeler En ekonomik gosregelerden birisi parcali gostergelerdir. Parcali gostergeler 7 parcali ve 16 parcali olmak uzere iki konfigurasyonda olabilirler. 7 parcali gostergeler, rakamlar ve sinirli sayida harfler icin tasarlanmistir. 16 parcali gostergeler, tum buyuk harfleri ve numaralari gosterirler. Parcali gostergeler aslinda ledlerden olusurlar. Ortak katot ve ortak anot olmak uzere iki ana gruba ayrilirlar. 4 dijitten daha fazla gostergeler darbeli veya cogullamali olarak calistirilirlar. Harcanan guc boylece daha dusuk olur.

51

52 Dot matrix gostergeler 7 parcali gostergeler ucuzdurlar ancak iki konuda yetersizdirler. –Sinirli sayida bilgiyi gosterirler 16 parcali gostergede bile kucuk harflerden olusan alfabe gosterilemez. Dot matrix gostergeler buyuk-kucuk harf alfabeyi, rakamlari ekonomik ve basit bir sekilde gosterebilirler. –Parcali gostergeler sinirli iliskiye sahiptir. En cok kullanilan dot matrix 5x7 dot matrix gostergedir. 35 gosterge elemanindan olusur. (5 sutun ve 7 satir) Her gosterge elemani ayri ayri adreslenebilir ve ilgili satir sutun numaralari secilerek aktif hale getirilir.

53 Optokuplorler Bir optokuplor isik kaynagi ve alicidan olusur. Kaynak ve alici kapali bir kilif icindedir. Iki veya daha fazla giris portu, yine iki veya daha fazla cikis terminali mevcuttur.

54 Optokuplorler Giris ve cikis devreleri elektriksel olarak ohm seviyesindeki direncle yalitilmistir. Giris ve cikislar arasindaki kapasite pikofarad’lar seviyesindedir. Giris ve cikislar arasindaki izolasyon gerilimi kV’lar seviyesindedir. Bu yuzden bu cihazlar optoizolatorler olarak adlandirilmistir.

55 Optokuplorler Optokuplorlerle ayri beslemelere sahip hassas devreler birbirine baglanabilir ve toprak akimlarinin sebep oldugu sorunlar onlenebilir. Ayni zamanda yuksek guclu cihazlari suren hassas dijital devrelerde de kullanilirlar. Optokuplorler asagidaki parametrelere gore siniflandirilirlar. –Operasyon hizi –Akim transfer orani –Yalitim –Limit parametreleri ve yaslanma karakteristigi

56 Lazerler Lazer (Laser: Light Amplification Stimulated Emission Radiation), uyarilmis radyasyon yayilimiyla isik kuvvetlendirilmesi anlamina gelir. Lazer koherent (ayni fazda) ve monokromatik (ayni dalga boyunda) radyasyon ureten benzersiz bir kaynaktir.

57 Lazerler Lazer isiginin yayilim karekteristigi, diger kaynaklarla yapilamayan bircok uygulamayi mumkun kilmistir. CD player’lar, lazer yazicilar, cerrahi uygulamalar, metal kesme ve askeri uygulamalar bunlardan bazilaridir. Ayrica lazer isigi minimum sacilmayla cok uzun mesafeleri katedebilir.

58 Lazerler Bu karekteristigi bircok haberlesme ve olcme uygulamasinda kullanilir. Ornegin lazer isini dunyadan ay yuzeyine yonlendirilip geri yansiyan isik olculerek dunya ay arasi mesafe olculebilir. Diger onemli ozellik ise lazer isininin monokromatik olmasidir. Bu ozellik haberlesme alaninda bircok uygulamaya kapi acar. Ornegin cok genis bandli yuksek frekans modulasyonu ve fiber optik iletim uygulamalari gibi.

59 Lazerin temeli Lazer radyasyonu, atomlarin veya molekullerin elektromanyetik radyasyonu sogurmasi ve yaymasi prensibine dayanir. Atom veya molekullerin bu hareketi uc tiptir. Sogurma Kendiliginden yayilim Uyarilmis yayilim

60 Sogurma Sekilde goruldugu gibi, sogurulan radyasyonun enerjisi, atom veya molekulun daha yuksek bir enerji seviyesine cikmasina neden olur. Iki enerji seviyesi arasindaki fark sogurulan radyasyonun enerjisine esittir.

61 Kendiliginden yayilim Sekilde goruldugu gibi, bir elektron yuksek enerji seviyesinden daha dusuk bir enerji seviyesine inerken bir foton yayilir.

62 Uyarilmis yayilim Sekilde goruldugu gibi, burada da bir elektron yuksek enerji seviyesinden daha dusuk bir enerji seviyesine inerken bir foton yayilir. Ancak buradaki yayilim rastgele degildir. Bu yayilim harici bir radyasyon veya bir foton tarafindan tetiklenir.

63 Uyarilmis yayilim Bu islemin en onemli karekteristigi, yayilimin koherent olmasidir. Koherent radyasyon, ayni frekansta, ayni fazda ve ayni yonde yayilan radyasyondur. Diger bir ifadeyle isigin kuvvetlenmesi sozkonusudur. Bu olay laser isiginin temelidir.

64 Lazerin temeli Lazer ortami iki parelel ayna arasindadir. Bu aynalar lazer isinini yansitirlar. Her yansimada lazer isini kuvvetlenir ve yogunlugu artar. Ikinci ayna yari gecirgen bir aynadir ve belli yogunluga ulasmis isinlarin disari cikmasina izin verir.

65 Lazerin temeli Isinlari lazer ortamina yansitilmasinin yani sira iki ayna, tek dalgaboyunun elde edildigi bir rezonator veya dalga kilavuzu yapisi olustururlar. Bu lazerin monokromatiklik ozelligini saglar.

66 Lazerlerin siniflandirilmasi Lazer ortami, pompalama metodlari, calisma modlari, dalgaboyu (nm), isin capi (mm), isin yakinsamasi (rad), cikis gucu (W), sogutma sekli, fiyat araligi gibi kriterlere gore cok cesitli lazer turleri mevcuttur. Lazerler, lazer ortami ve pompalama metodlarina gore siniflandirilabilirler.

67 Calisma modlari Lazerler sekilde goruldugu gibi uc modda calistirilabilirler. –Surekli mod (CW modu) –Darbeli mod –Q-anahtarlamali mod

68 Pompalama metodlari Surekli modda surekli bir pompalama, darbeli modda darbeler seklinde pompalama, Q- anahtarlamali modda ise cok kisa sureli (piko- nano saniye) fakat cok yuksek genlikli darbelerle pompalama yapilir.

69 Lazer ortami Lazer ortamina gore siniflandirma kullanilan malzemeye gore yapilir. –Kati lazerler –Gaz lazerler –Sivi lazerler –Eximer lazer

70 Kati lazerler Yakut ve YAG lazer cok yaygindir. Yakut (Al 2 O 3 :Cr +3 ) lazer: Lazer ortami yakut kristalidir. Pompalama bir flash lamba ile yogun isik darbeleri seklinde yapilir. 694 nm de lazer isigi uretir.

71 Kati lazerler YAG (yttrium aluminum garnet: Y 3 Al 5 O 12 ) lazer: YAG lazer en populer kati lazer turudur. Lazer ortami Y 3 Al 5 O 12 kristalidir. Normalde dalga boyu 1064 nm de lazer isigi uretir. Ancak 946 nm ve 1320 nm de de lazer isigi uretebilir.

72 Gaz lazerler Cok genis kullanim alanina sahiptirler. Bir kac sinifi vardir. –Notral atom lazerleri –Iyon gaz lazerleri –Molekuler gaz lazerleri

73 Notral atom lazerleri En populer olan gaz lazer turudur. He-Ne lazer cok basit ve bu yuzden uygulama alani cok olan bir lazer turudur. He-Ne lazer 633 nm, 1150 nm ve 3390 nm de lazer isigi uretir. 633 nm de 50 mW cikis gucu uretebilir. He-Ne lazer CW modda calisir. He-Ne yaninda, Ar, Xe ve Kr notral atom lazerlerinde kullanilirlar.

74 Iyon gaz lazerleri Ar, Xe ve Kr iyon gaz lazerlerde de yaygin olarak kullanilirlar. Iyon gaz lazerlerde cok yuksek pompalama akimi yogunlugu kullanilir. Yuksek enerji sogurulmasi sonucu kullanilan gaz iyonlasir. Argon: dalga boyu araligi nm, temel dalga boylari 488 ve 514 nm, cikis gucu araligi 2 mW-20 W. Krypton: dalga boyu araligi nm, temel dalga boyu nm, cikis gucu araligi 5 mW-6 W. Argon-Krypton: dalga boyu araligi nm, cikis gucu araligi 0.5 W-6 W.

75 Molekuler gaz lazerleri CO 2 lazerler, bu gurubu en cok simgeleyen lazer turudur. CO 2 ve N 2 dusuk basinctaki helyum ile karistirilir. Bu gaz karisimi yuksek voltajli iki elektrot arasinda pompalama enerjisiyle beslenir.

76 Molekuler gaz lazerleri CO 2 lazerler malzeme islemede, kesme, kaynatma vs. cerrahide, lazer radarda, fotokimyada ve bircok uygulamada kullanilir. CO 2 lazerin dalga boyu nm arasindadir.

77 Sivi veya boya lazerleri Genis dalgaboyu bolgesinde radyasyon yayabilen lazer cesitidir. Lazer ortami metil alkol veya su icinde cozunmus belirli bazi organik boya bilesiklerinden olusur. Secilen boyaya bagli olarak nm arasinda lazer isigi uretir.

78 Eximer lazer Eximer lazer nm araliginda calisir. Lazer ortami, elektron demeti veya elektrik bosalmasiyla pompalanan argon, kripton, xenon ile halojen atomlarinin florit ve klorit karisimindan olusur. Argon, kripton, xenon nadir bulunan gazlardir. Sonuc olarak eximer lazer, genel arastirmalar, fotokimya uygulamalari, spektroskopi, tedavide ve diger alanlarda kullanilir.

79 Lazer diyot Lazer diyot icin temel olarak kullanilabilecek eleman kenar yayilimli leddir. Sekilde de goruldugu gibi, kenar yayilimli ledde aktif bolge iki tabaka arasina gomulmustur. Radyasyon bu tabakalar arasindan eliptik bir koni paterninde yayilir.

80 Lazer diyot Kenar yayilimli led konfigurasyonu kolaylikla lazer diyota adapte edilir. Tabakalar arasindaki yarik yuzeyleri parlatilarak geri beslemeli bir dalga kilavuzu olusturulur. Boylece radyasyon disari cikmadan aktif bolgeye geri yansir. Bu amacla farkli kirilma indisli AlGaAs kullanilmistir.

81 Lazer diyot Lazer diyotun yayilim paterni kenar yayilimli lede tek farkla benzerdir. Lazer diyotta eliptik koninin genis ve dar eksenleri terstir.

82 Lazer diyot Temel olarak lazer diyot, uyarilmis emisyon ureten ve geribesleme saglayan optik yarik eklenmis bir diyottur. Akim gerilim karekteristigi herhangi bir yariiletken diyota benzerdir.

83 Lazer diyot Lazer diyotun sicaklik bagimliligi yuksektir. Esik akimi her 1 derece sicaklik artisi icin %1,5 artar. Bundan dolayi isindiktan sonra kendiliginden kesime gidebilir. Bunu engellemek icin lazer diyot fanli veya sogutuculu bir ortamda calistirilmalidir. Sabit akim kaynakli bir guc kaynagi ile beslemek ve bir fotodedektorle geribesleme devresi kullanmak ta uygulanan cozum yontemleridir.

84 Lazer diyot Inceledigimiz lazer diyot multi-mode olarak adlandirilir. Single-mode lazer diyotlar farkli metodlar kullanilarak uretilir. Single mode lazer diyotlar uzun mesafe fiber optik haberlesmesinde kullanilan pahali cihazlardir. Lazer diyotlar tipik olarak 100mW in altinda cikis gucu olan dusuk guclu cihazlardir. Bu yuzden genellikle haberlesme, optik okuma-yazma, kayit, mesafe olcme gibi uygulamalarda kullanilirlar. Bu uygulamalar arasinda en belirgin olani fiber optik haberlesme uygulamasidir.

85 Lazerin uygulamalari Lazerler bircok uygulamada bircok isi yapmak icin kullanilirlar. Nerede kullanilirlarsa kullanilsinlar tum lazerlerin ortak bir ozelligi vardir. Yuksek guc konsantrasyonundan dolayi tehlikeli cihazlardir. mw seviyesinde bile direkt olarak goze temas ettiginde zarar verebilir. Bu yuzden guvenlik uyarilarina kesinlikle uyulmalidir (ANSI standart z veya IEC TC-76).

86 Lazerin uygulamalari Kullanildigi alanlar: –Endustriyel ve malzeme islemede kullanilir. Malzemeleri kesme delme eritme vs. –Bilgi isleme ve optik haberlesme uygulamalari, CD, fiber optik haberlesme, lazer yazicilar vs. –Biyoloji ve tip uygulamalari, cerrahi uygulamalarda kullanilirlar. Cok hassas cerrahi ameliyatlarda (goz, burun vs.), kan sayimi, DNA analizleri, hucre veya biyomolekullerin durumunun tespiti. –Bilim ve metroloji (olcme bilimi) de kullanilir. 25 μm ile 25 m arasinda olcme yapilabilir.

87 Fiber optigin temelleri Fiber optik, yasamimizda kullandigimiz optoelektronik cihazlar sayesinde cok onemli role sahiptir. Saydam fiber uzerinden isik yardimiyla isaret iletimi, fiber optikte en onemli teknolojidir. Diger haberlesme yontemleriyle karsilastirildiginda fiber optik en fazla band genisligine, en guvenilir ve dusuk maliyetli cozume sahiptir. Fiber optik dis etkenlerden etkilenmeyen tek haberlesme yontemidir. Kitalar arasindaki tum haberlesme hatlari fiber optik kablolardir. Bununla birlikte fiber optik uygulamalari bununla sinirli degildir. Fiber optik algilayicilar sicaklik, konum, manyetik alan veya fiziksel buyuklukleri olcebilirler.

88 Yansima ve kirilma Sekilde θ 1 acisiyla iki ortam sinirina gelen isin, cok yogun ortamdan (n 1 ), az yogun ortama (n 2 ) gecerken θ 2 acisiyla kirilmaktadir. θ 1c acisiyla iki ortamin sinirina gelen isin, iki ortamin sinirina parelel olarak yoluna devam etmektedir (θ 2 =90˚). Buradaki θ 1c kritik acidir. Kritik acidan daha buyuk bir aciyla iki ortam sinirina gelen isin ise (θ 1 > θ 1c ) diger ortama gecmeden geldigi ortama geri yansir. Buna tam yansima denir. θ c =Arcsin(n 2 /n 1 ) θ c :Kritik aci n 1 :1. ortamin kirilma indisi n 2 :2. ortamin kirilma indisi

89 Fiber optik kilavuz Sekildeki silindirik saydam fiber’e yansima ve kirilma yasalari uygulanirsa, kabul acisi θ A dan daha kucuk bir aciyla gelen tum isinlar fiber icinde kalacaktir ve fiber, bir optik dalga kilavuzu gibi davranacaktir. θ A dan daha buyuk bir aciyla gelen isinlar ise, fiber’den disari cikacaktir. Kabul acisi fiber’e giris kosulunu belirlemektedir. Bu kabul acisina karsilik gelen numerik aciklik olarak adlandirilan sayisal bir aralik tanimlanabilir. θ A :Kabul acisi NA=Sinθ A NA:Numerik aciklik

90 Fiber optik kilavuz Ornek: Kirilma indisi n 1 =1.53 olan fiber icin kabul acisi ve numerik acikligi hesaplayiniz. Fiber optik kablo kirilma indisi n 2 =1 olan hava icinde kullanilmaktadir. Cozum: θ A = arcsin(n 2 /n 1 ) = arcsin(1/1.53) = 40.8˚ NA = sinθ A = 0.653

91 Kilifli (cladded) fiber optik kilavuz Fiber optik kilavuz optik dalga kilavuzunun calisma prensibi ile ilgili iyi bir ornektir ancak uygulamada bu tip fiber iki nedenden dolayi cok yuksek kayiplidir ve kullanisli degildir. –Ozellikle fiberi cevreleyen bir malzeme ile karsi karsiya geldiginde oldukca fazla isin disari cikabilir. –Toplam ic yansima durumunda kayip dalga (evanescent wave) olarak adlandirilan elektromanyetik bozulma meydana gelir. Her iki sorun da fiber cekirdegin daha dusuk kirilma indisli kilif ile kaplanmasiyla duzeltilebilir.

92 Kilifli (cladded) fiber optik kilavuz Ornek: Kirilma indisleri n 1 =1.53 n 2 =1.5 olan kilifli fiber optik kilavuz icin kabul acisi ve numerik acikligi hesaplayiniz. Cozum:

93 Fiberin karekteristigi Bir cok fiber optik kilavuz uzun mesafeler arasi bilgi iletiminde kullanilir. Bundan dolayi, fiberin onemli karekteristikleri, yuksek band genisligi ve dusuk kayiptir. Fiber band genisligi sacilma olarak adlandirilan bir etki tarafindan belirlenir. Sacilma, isinlarin fibere farkli acilarda girmesinden ve farkli mesafeler katetmesinden kaynaklanan bir bozulmadir.

94 Modal sacilma Farkli fiber yollari arasindaki mesafe farklari isaretler arasinda gecikmelere (faz farki) sebep olur. Bu istenmeyen bozucu etki yaratan bir durumdur. Bu sekilde, isinlarin birden fazla yol izleyebildikleri fiber optik kablolara cok modlu (multi-mode) fiber optik kablolar denir. Bu olay modal sacilma olarak adlandirilir.

95 Kromatik sacilma Kromatik sacilma da band genisligini etkileyen ve cok modlu fiberlerde, ayni isin demetinin farkli dalga boylarinda fiber optik kabloya girmesiyle olusan bir sacilma seklidir. Farkli dalga boylari, farkli yayilma surelerine sebep olmaktadir.

96 Modal sacilma Modal sacilmada zaman gecikmesi asagidaki sekilde hesaplanabilir. τ s : multipath zaman sacilmasi (s) l: fiber uzunlugu (m) n 1 : cekirdegin kirilma indisi n 2 : kilifin kirilma indisi c: isik hizi (3x10 8 m/s)

97 Modal sacilma Zaman sacilmasi, maksimum bit orani ve isaret band genisligi arasindaki iliski asagidaki gibi verilebilir: B ≈ 2Δ f ≈ 1/τ B: maksimum bit orani (bit/s) Δ f : maksimum isaret band genisligi (Hz) Ornek: n 1 =1.53 n 2 =1 (hava) olan 1 km uzunlugunda fiber optik kilavuz icin ve n 1 =1.53 n 2 =1.5 olan 1 km uzunlugunda fiber optik kablo icin modal sacilma zaman gecikmesini, maksimum bit oranini ve band genisligini bulunuz. Cozum: Fiber optik kilavuz icin; τ s = 2,7 μs B = 1/τ = 1/2,7x10 -6 = 0,37x10 6 bit/s Δ f = 0,37x10 6 /2= 185 kHz

98 Modal sacilma Fiber optik kablo icin; τ s = 0,23 μs B = 1/τ = 1/0,23x10 -6 = 4,35x10 6 bit/s Δ f = 4,35x10 6 /2= 2,17 MHz Goruldugu gibi kilifli fiber, kilifsiz fiber optik kilavuza gore cok daha fazla band genisligine sahiptir. Bununla birlikte, kilifli fiberin band genisligi isik isaretinden bekledigimiz olcude fazla degildir. Sacilma, band genisligini sinirlar ancak gradyen indisli fiber olarak adlandirilan fiber kablo tipi, sacilmayi onemli olcude azaltmaktadir.

99 Gradyen indisli fiberlerde modal sacilma Basamak indisli fiberin aksine, gradyen indisli fiberin cekidegi degisken indise sahiptir. Cekirdek merkezinde indis degeri maksimumdur ve merkezden disa dogru indis degeri parabolik olarak sekilde de goruldugu gibi azalir. Isigin yon degistirmesi, basamak indisli fiberde oldugu gibi cekirdek kilif arakesitinde olmaz cekirdek icinde olur. Sonucta yuksek dereceli modlar bastirilir ve sacilma azaltilir. Ek olarak meridyenel isinlar merkezi isinlara gore daha fazla yol kat ederler ancak daha dusuk kirilma indisli ortamda yol aldiklarindan, merkezi isinlara gore daha hizli yol alirlar. Bu ozellik isinlarin yayilma surelerini esitler ve sacilmayi azaltir.

100 Fiber optik kablolar Dusuk sacilma icin optimize edilmis gradyen indisli fiber icin sacilma asagidaki gibi hesaplanabilir: Daha onceki sacilma bagintisiyla bu bagintiyi karsilastirirsak sacilmanin asagidaki kadar azaldigini gorebiliriz. Ornek: n 1 =1,53 n 2 =1,5 olan 1 km uzunlugunda gradyen indisli fiber icin zaman sacilmasini, maksimum bit oranini ve band genisligini bulunuz. Cozum: Fiber optik kilavuz icin; τ G = 0,245 ns B = 1/ τ G = 1/2,45x = 4,08x10 9 bit/s= 4,08 GB/s Δ f = 4,08x10 9 /2= 2,04 GHz Gradyen indisli fiber, basamak indisli fibere gore zaman sacilmasinda yaklasik 938 kat iyilesme saglar. Fiber optik kablolar cekirdek ve kilif indislerinin degerlerine gore ikiye ayrilirlar: –Basamak indisli fiber optik kablolar –Gradyen indisli fiber optik kablolar

101 Fiber optik kablolar Gradyen indisli fiberler genellikle 50 μm cekirdek 125 μm kilif capina ve GB/km bit oranina sahiptirler. Bu basamak indisli fibere gore oldukca dikkat cekici bir performanstir. Fiber capinin azaltilmasi, bozucu etki olan sacilmalari azaltacagindan fiber performansi da artacaktir. Bu tip fiberler tek modlu fiberler olarak adlandirilirlar. Tek modlu fiberlerde modal sacilma neredeyse yok olmustur. Cunku cekirdek capi azaldigindan lazer isininin tamaminin merkezden iletildigini dusunebiliriz. Ancak kromatik sacilmayi onlemek icin monokromatik kaynaklar kullanilmasi gerekir. Ornek: led yerine lazer kaynak kullanilmalidir.

102 Fiber kayiplari Fiber optik kablo cok dusuk kayipli olmasina ragmen yine de bir kaybi vardir. Cok uzun mesafelerde bu kayip onemli olmaktadir. Fiber optik kablonun kaybi ya da zayiflamasini telafi etmek icin, uzak mesafeli iletisimde belli araliklarla fiber optik kuvvetlendirici kullanilmasi gerekir.

103 Uzun mesafe fiber optik kablolar Dunya denizalti fiber optik kablo dagilimi


"Optik Elektronik 1. Elektromanyetik spektrum Elektromanyetik spektrum, cok uzun dalgaboylu radyo dalgalari bolgesinden, cok kisa dalgaboylu kozmik isinlar." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları