Aplicatii Tehnice Ale Fizicii Moderne

100

Modulul 7 APLICAŢII TEHNICE ALE FIZICII MODERNE Conţinutul modulului: 7.1 Laseri 7.2 Fibre optice 7.3 Display cu plasmă 7.4 Xerografie Evaluare: 1. Descrierea principiului fizic de funcţionare a dispozitivelor prezentate 2. Răspunsuri la întrebările finale 7.1 Laseri Dispozitivul LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) permite fie amplificarea, fie generarea şi amplificarea radiaţiei luminoase, pe baza procesului de emisie stimulată. Fie un ansamblu statistic oarecare, format dintr-um număr extrem de mare de atomi identici şi fie Em şi En două nivele energetice ale atomilor, cu En < Em . Între aceste două nivele sunt posibile următoarele 3 tipuri de procese: 1. Procese de absorbţie. Sub acţiunea unei radiaţii electromagnetice exterioare cu frecvenţa νnm sistemul efectuează tranziţia de pe nivelul inferior En , pe nivelul superior Em , cu o probabilitate de realizare egală cu: (a) dPnm = Bnm w(ν nm ) dt , (7.1) unde w(νnm) este densitatea spectrală a radiaţiei utilizate, iar Bnm este coeficientul de absorbţie (probabilitatea de absorbţie a radiaţiei în unitatea de timp şi pe unitatea de densitate spectrală). Ca urmare a tranziţiei, numărul de atomi care se găsesc pe nivelul inferior En descreşte în timp după legea: (a ) ⎛ dN n ⎞ −⎜ (7.2) ⎟ = Bnm w(ν nm )N n . ⎝ dt ⎠ 2. Procese de emisie indusă (stimulată) . Sub acţiunea unei radiaţii electromagnetice exterioare cu frecvenţa νnm sistemul efectuează o tranziţie din starea excitată cu energia Em în starea cu energie mai mică En, proces a cărui probabilitate de realizare este: (i ) dPmn = Bmn w(ν nm )dt , (7.3) unde Bmn este coeficientul de emisie indusă. Odată cu tranziţia se emite un foton de aceeaşi frecvenţă νnm , iar numărul de tranziţii care se efectuează în unitatea de timp este:

101 (i )

⎛ dN ⎞ − ⎜ m ⎟ = Bmn w(ν nm )N m . (7.4) ⎝ dt ⎠ Deci, datorită unei radiaţii electromagnetice exterioare, ansamblul statistic de atomi poate şi să absoarbă o cuantă de energie, trecând pe un nivel energetic superior, dar poate şi să interacţioneze cu radiaţia, emiţând aceeaşi cuantă (emisie spontană) şi trecând pe un nivel energetic inferior. Se arată că probabilităţile celor două procese sunt egale, Bnm = Bmn = B . 3. Procese de emisie spontană . Un sistem care se găseşte într-o în absenţa unei radiaţii stare energetică superioară Em electromagnetice poate reveni de la sine (spontan) într-o stare cu energie mai mică. Probabilitetea de realizare a acestui proces de emisie spontană nu depinde de densitatea spectrală a radiaţiei: (s ) (7.5) dPmn = Amn dt , unde Amn = A este coeficientul de emisie spontană. Numărul de tranziţii efectuate în unitatea de timp are o lege asemănătoare: (s ) ⎛ dN m ⎞ −⎜ (7.6) ⎟ = Amn N m . ⎝ dt ⎠ Coeficienţii A şi B se numesc coeficienţii lui Einstein. Integrând relaţia de mai sus, obţinem: −

t

N m (t ) = N m (0 )e , (7.7) unde mărimea nou introdusă are semnificaţia intervalului de timp cât atomul se află în starea excitată de energie Em: 1 τ mn = (7.8) Amn şi se numeşte timp de viaţă. Acesta este de ordinul a 10-8 s, deci extrem de mic. La echilibrul termodinamic, numărul de atomi care emit cuante de energie, prin emisie spontană şi stimulată este egal cu numărul atomilor care absorb aceste cuante, astfel că: (dN )( s ) + (dN )(i ) = (dN )( a ) ; N n B w = N m (B w + A) (7.9) În starea de echilibru termodinamic la temperatura T , numărul mediu de atomi care se găsesc pe un anumit nivel energetic este dat de legea de distribuţie a lui Boltzmann: −

Em

τ mn

−

En

N m = Ce k BT ; N n = Ce k BT . (7.10) Dacă un atom absoarbe o cuantă de energie hνnm , el trece de pe starea inferioară Em pe starea superioară En , numită stare excitată. Aici atomul rămâne un timp foarte scurt, în general de ordinul timpului de viaţă, adică 10-8 s, după care trece în mod spontan pe starea energetică inferioară, emiţându-se o radiaţie de frecvenţă νnm ce satisface relaţia: hν nm = E m − E n . (7.11) Acest proces se numeşte emisie spontană şi este independent de la un atom la altul. De aceea, radiaţiile emise au faze cu totul

102

întâmplătoare, adică acest ansamblu de atomi nu este o sursă coerentă de radiaţii. Eliminând constanta C de mai sus, obţinem relaţia dintre numerele de atomi de pe cele două nivele energetice: ⎛ E − En ⎞ ⎟ . (7.12) N m = N n exp⎜⎜ − m k B T ⎟⎠ ⎝ Să presupunem că într-un sistem atomic s-au realizat condiţiile în care emisia spontană să fie neglijabilă. În prezenţa unei radiaţii exterioare, vor rămâne atunci numai procesele de absorbţie (de către cei Nn atomi aflaţi pe nivelul de energie mai mare En) şi procesele de emisie spontană (de către cei Nm atomi aflaţi pe nivelul de energie mai mică Em). Dacă numărul atomilor care emit în unitatea de timp prin emisie stimulată va fi mai mare decât numărul atomilor care absorb, adică: Nm > Nn , (7.13) atunci radiaţia incidentă va ieşi din sistemul atomic amplificată. Relaţia anterioară arată că amplificarea radiaţiei electromagnetice incidente se realizează atunci când pe nivelul superior se vor afla mai mulţi atomi decât pe nivelul inferior. Se spune că nivelul superior de energie este mai populat sau că s-a realizat o inversiune de populaţie în sistemul de atomi. Deoarece la echilibrul termodinamic, în mod natural, populaţia unui nivel energetic inferior este mai mare decât populaţia unui nivel superior, pentru ca un mediu să fie amplificator de radiaţii trebuie realizate condiţii experimentale speciale. Un astfel de mediu se numeşte mediu optic activ. Procesul de amplificare a radiaţiei decurge astfel: Un foton de frecvenţă νnm , provenind de la o sursă exterioară de radiaţii electromagnetice, pătrunzând în mediul optic activ, care conţine un sistem de atomi, va întâlni un atom excitat (pe nivelul energetic superior Em) . El va contribui la dezexcitarea acestuia (adică la saltul pe nivelul energetic inferior de energie En) şi astfel vor apărea doi fotoni (cel iniţial şi cel datorită dezexcitării). Cei doi fotoni vor întâlni alţi doi atomi excitaţi şi vor genera patru fotoni ş.a.m.d., procesul decurgând în cascadă.

Fig. 7.1 Dacă fotonul radiaţiei electromagnetice exterioare va întâlni un atom neexcitat (aflat pe nivelul inferior En), îi va furniza acestuia

103

energia de excitaţie hνnm determinând saltul atomului pe nivelul excitat Em . Fotonul incident va fi, deci, absorbit şi nu va participa la amplificarea radiaţiei, dar va contribui la mărirea populaţiei pe nivelul superior excitat. În afară de dispozitivele LASER, cu principiul de funcţionare expus mai sus şi care lucrează în domeniul de frecvenţe superioare (infraroşu şi vizibil), pe acelaşi principiu de funcţionare se bazează şi dispozitivele MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), care lucrează în domeniul microundelor. Majoritatea dispozitivelor laser folosesc, însă, pentru realizarea inversiei de populaţie, sisteme atomice sau moleculare cu trei nivele energetice. Schema de construcţie şi funcţionare a unui laser cu trei nivele, de exemplu laserul cu rubin. Partea principală a acestui laser o constituie un bastonaş cilindric de rubin roz, impurificat cu ioni de crom (Cr3+), cu lungimea între 2 şi 10 cm, diametrul între 0,5 şi 1 cm şi feţele terminale perfect paralele, una dintre feţe fiind perfect reflectantă, iar cealaltă parţial reflectantă. Bastonaşul se află în interiorul unui tub spiralat de descărcare cu gaz, care va produce radiaţia excitatoare realizând pompajul optic (fig. 7.1).

Fig. 7.2 Mediul activ este ionul de Cr3+ , caracterizat de trei nivele energetice E1 < E2 < E3 . Radiaţia verde excitatoare, produsă de tubul de descărcare (λ = 560 nm) şi absorbită de acest ion, provoacă tranziţii de pe nivelul fundamental E1 pe nivelul excitat E3 , care este un nivel de bandă largă (mai multe nivele dispuse foarte aproape) (fig. 7.2). Lărgimea acestei bande din ionul de crom permite tranziţii în această bandă dintr-un domeniu spectral relativ larg al luminii excitatoare de la tubul cu gaz. Timpul de viaţă a ionului Cr3+ pe banda 3 fiind foarte scurt, de ordinul a 10-8 s, au loc tranziţii neradiative de pe acestă bandă pe nivelul îngust E2 , nivel destul de apropiat de banda 3. Datorită acestei apropieri, tranziţia este neradiativă, energia corespunzătoare tranziţiei fiind absorbită de reţeaua cristalină de rubin, fără a avea loc vreo emisie de radiaţie spre exterior. Timpul de viaţă al nivelului E2 este de 3 · 10-3 s , deci mult mai lung decât a nivelului E3 . De aceea nivelul E2 se numeşte nivel metastabil sau stare metastabilă. Acest timp de viaţă lung face ca pe nivelul metastabil să se acumuleze un număr foarte mare de ioni de crom, în timp ce starea fundamentală

104

va fi golită de ioni. Se realizează astfel procesul de inversiune de populaţie între nivelele E1 şi E2 , adică pompajul optic al ionilor pe nivelul E2 . Dacă pompajul optic este suficient de puternic, se va realiza efectul laser prin tranziţii stimulate E2 → E1 , adică se va emite o radiaţie laser de lungime de undă λ = 694,3 nm , radiaţie roşie, coerentă, intensă şi cu o mare directivitate. Există mai multe tipuri de laser, în funcţie de mediul activ pe care îl utilizează: laserul cu solid, care are ca mediu activ o substanţă solidă (cristalizată sau sticloasă, deci mediul activ trebuie să fie un mediu optic transparent) şi laserul cu gaz, care are ca mediu activ un gaz sau un amestec de gaze (bioxid de carbon, heliu şi neon, azot şi heliu). Spre deosebire de radiaţiile emise de sursele de lumină obişnuite (clasice), radiaţia laser prezintă calităţi deosebite care o fac utilă multor aplicaţii ştiinţifice şi tehnice. Acestea sunt: monocromaticitatea, coerenţa, intensitatea mare şi directivitatea. Aplicaţiile laserilor sunt foarte diverse şi numărul lor creşte continuu, atât datorită domeniului foarte larg de lungimi de undă (de la ultraviolet până la infraroşu îndepărtat), cât şi datorită faptului că se realizează laseri cu puteri tot mai mari. Dintre aplicaţiile laserilor în ştiinţă amintim: studiul structurii diferitelor substanţe, mărirea rezoluţiei în cercetările spectroscopice, holografia şi interferometria fotografică, în măsurări telemetrice, în realizarea de temperaturi foarte înalte utilizate pentru declanşarea unor reacţii termonucleare, în producerea plasmei. De asemenea, laserul se utilizează în cercetări din domeniul chimiei, biologiei, agriculturii ş.a.m.d. Aplicaţiile tehnice ale laserilor sunt mult mai numeroase. În telecomunicaţii, prin utilizarea laserului se poate mări domeniul de frecvenţe cu patru ordine de mărime, ceea ce permite transmiterea unui volum de informaţii mărit în mod corespunzător. În prezent, radiaţia laser se utilizează atât pentru comunicaţiile la distanţe mici şi terestre, cât şi la distanţe extrem de mari, la scară cosmică. Utilizarea semnalelor laser în telecomunicaţii se bazează pe faptul că acestea nu pot fi interceptate. Posibilitatea concentrării de energii foarte mari pe un spaţiu restrâns a condus la o serie de aplicaţii industriale: topirea, perforarea, sudarea şi prelucrarea unor materiale de interes metalurgic, microprelucrarea, vaporizarea şi depunerea unor straturi subţiri pe suporturi de natură diferită, fabricarea şi testarea componentelor electronice, elaborarea (asistată de calculator) a unor materiale utilizate în electronică etc 7.2 Fibre optice

Prin fibră optică înţelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, înconjurat de un alt material cu indicele de refracţie mai mic, pentru ca la suprafaţa de separare să se poată produce fenomenul de reflexie totală (internă) a luminii. Deşi preocupări de obţinere a fibrelor optice au existat mai demult, abia după 1950 s-au putut obţine

105

fibre optice cu aplicabilitate practică. In prezent există o mare varietate sortimentală de fibre optice, specifice domeniului de utilizare. Ca materiale de fabricare a fibrelor se folosesc diferite sortimente de sticle, sticle de cuarţ cu conţinut de siliciu, cuarţ topit, ca atare sau dopat cu diverse elemente. In ultimul timp au început să se folosească tot mai mult materialele plastice. Indiferent de natura materialelor folosite la fabricarea sa, fibra optică are o structură miez-manta (fig. 7.3) , cuprinzând în interior, plasat central, un miez cu secţiune cilindrică 1, în jurul acestuia o manta 2, iar în exterior un înveliş de protecţie 3.

a)

b)

c) Fig. 7.3 Mantaua se realizează din material cu indice de refracţie mai mic decât al miezului. Invelişul exterior este opac, nu are rol în transmiterea luminii, are rolul să protejeze fibra de mediul înconjurător, conferindu-i, de asemenea, rezistenţa mecanică necesară manipulărilor la montare şi exploatare. După modul de variaţie radială a indicelui de refracţie al miezului , fibrele optice pot fi (fig.7.3): a- multimodale de tip indice prag larg. Miezul cilindric are diametrul 30-100 µm (un fir de păr uman ~70 µm) , mantaua are grosimea de 30-50 µm iar învelişul de protecţie 10-40 µm.Reprezentarea variaţiei indicelui de refracţie în funcţie de distanţa de la centrul fibrei prezintă un prag lat, bine marcat (înalt), ale cărui margini corespund cu suprafaţa de separare miez-manta. b- multimodale cu indice gradual. Indicele de refracţie descreşte progresiv de la centru către marginea miezului. c- unimodale cu indice prag mic.Miezul are un diametru mic, comparabil cu lungimea de undă a radiaţiei care-l străbate.Pragul este mult mai mic şi mai îngust ca la fibrele de tip a. Propagarea luminii prin fibra optică. Când diametrul fibrei optice este mare în comparaţie cu lungimea de undă a luminii, se pot neglija efectele specifice naturii ondulatorii, iar propagarea luminii prin fibră poate fi tratată prin conceptul de rază de lumină (optică

106

geometrică). Eficienţa fibrelor optice ca ghiduri de lumină se bazează pe fenomenul de reflexie internă (totală). Aceasta înseamnă că toată lumina din interiorul unui mediu cu indice de refracţie n1 , care ajunge la suprafaţa de separare cu un mediu cu indice de refracţie mai mic, n2 < n1 , va fi reflectată fără nici o pierdere, dacă este îndeplinită condiţia: n sin i ≥ 2 = sin l , (7.14) n1 adică unghiul de incidenţă i pe suprafaţa de separare dintre medii să fie mai mare ca unghiul limită l , specific ansamblului celor două medii. Orice rază care satisface condiţia (7.14) se numeşte rază trapată şi contribuie la propagarea prin fibră. Mărimea pierderilor energetice ale fasciculului luminos care se propagă prin fibra optică depinde de lungimea de undă a radiaţiei, de natura materialului, de lungimea şi diametrul fibrei. Cantitativ, pierderile de intensitate se exprimă în dB/km. De exemplu, în cazul fibrelor Pirelli, atenuarea este de 0,38 dB/km, pentru lungimea de undă 1310 nm (infraroşu) şi 0,20 dB/km, pentru lungimea de undă 1550 nm; în cazul fibrelor Siemens, pentru aceleaşi lungimi de undă, atenuarea este de 0,47 dB/km şi respectiv 0,23 dB/km. Intre cele mai importante cauze care determină scăderea intensităţii sunt fenomenele de absorbţie şi cele de difuzie din materialul fibrei. Absorbţia pe care o suferă radiaţia luminoasă în miezul fibrei se datoreşte interacţiunii radiaţiei cu unii componenţi aflaţi în materialul miezului. In afară de calităţile optice care asigură propagarea radiaţiilor luminoase, fibrele trebuie să aibă şi calităţi mecanice pentru a asigura rezistenţa necesară la solicitările pe care le implică depozitarea, transportul, instalarea şi exploatarea lor. Deşi fibra optică simplă are o mare flexibilitate, datorită faptului că energia şi cantitatea de informaţie transmise prin fibră sunt limitate, se folosesc cabluri alcătuite din mai multe fibre optice simple. Cablurile din fibre optice sunt de două feluri: - cabluri necoerente sau ghiduri de lumină, care se folosesc atunci când energia transmisă nu poartă un semnal sau atunci când semnalul transmis de o fibră optică simplă a cablului nu este corelat cu semnalele transmise de celelalte fibre simple ale cablului; în astfel de cabluri nu este importantă poziţia relativă a diferitelor fibre simple care alcătuiesc cablul; - cabluri coerente, folosite în special pentru transmiterea imaginilor; la asemenea cabluri poziţia relativă a diferitelor fibre care intră în componenţa acestora este esenţială. Aplicaţii ale cablurilor optice. In tehnica iluminatului, fibrele optice prezintă mai multe avantaje faţă de sistemele clasice, avantaje care vor fi prezentate în continuare. Fibrele optice permit separarea sursei de lumină de suprafaţa ce trebuie iluminată; acest lucru este important în special în aparatele

107

optice medicale introduse în organism pentru inspecţia vizuală a diferitelor organe. Metodele clasice de observare bazate pe folosirea lămpii cu incandescenţă complică mult sistemul optic, nu permit obţinerea unei iluminări suficiente şi prezintă riscuri din punct de vedere al conexiunilor electrice. Cablurile optice permit miniaturizarea, o problemă crucială în aplicaţiile care implică folosirea mai multor surse de lumină. Fibrele optice se pot folosi pentru iluminarea scalei mai multor instrumente de măsură şi control folosind o singură sursăde lumină, fasciculul fiind divizat în mai multe fascicule cu ajutorul unui cablu optic. Metoda de cuplare şi decuplare a diferitelor conexiuni electrice, bazată pe folosirea fibrelor optice, asigură o protecţie ridicată şi capătă o extindere tot mai mare. In tehnica sistemelor de comunicaţii, fibrele optice oferă avantaje multiple faţă de sistemele clasice. Prin fibra optică informaţiile sunt transmise cu ajutorul unui fascicul laser modulat. Rata de transmitere a informaţiilor ( numărul de biţi pe secundă) cu ajutorul unei unde (radio, luminoase, etc) este proporţională cu frecvenţa undei. Datorită frecvenţei ridicate a undei luminoase (~1015Hz) în comparaţie cu cea a undelor radio (cca. 108Hz) este evidentă superioritatea canalelor de transmisie optică. In plus, fibrele optice sunt imune la interferenţele electrice din partea unor surse exterioare sau la posibilitatea interceptării semnalului între sursă şi receptor. 7.3 Display cu plasmă

Panourile de display cu plasmă (PDP) sunt acum tehnologia cea mai promiţătoare pentru monitoarele de televiziune de dimensiuni mari (cu diagonala de peste 1 m). Descărcarea electrică în gaze. Străpungerea electrică a unui gaz înseamnă trecerea gazului din starea de izolator în cea conductoare. Dacă se aplică o tensiune electrică între doi electrozi aflaţi într-un tub cu gaz, electronii liberi prezenţi în spaţiul dintre electrozi sunt acceleraţi şi pot dobândi energii suficient de înalte pentru a excita sau ioniza moleculele gazului. Aceste procese conduc la formarea avalanşelor electronice. Ionii pozitivi care rezultă din procesele de ionizare sunt acceleraţi spre catod şi pot extrage electroni secundari din suprafaţa acestuia. Străpungerea gazului are loc când sistemul se automenţine, adică atunci când fiecare electron care ajunge la anod este înlocuit, în medie, cu un electron emis de catod la bombardamentul cu ioni sau fotoni. Această descriere a străpungerii gazului este valabilă numai pentru valori ale produsului pd ( presiune şi distanţa dintre electrozi) mai mici decât câţiva torr⋅cm, condiţie tipică pentru displayurile cu plasmă. Tensiunea de străpungere este funcţie de produsul pd , de amestecul de gaze (multiplicarea electronilor în spaţiul dintre electrozi depinde de secţiunea eficace de ciocnire electron-atom) şi de

108

materialul catodului (care determină nivelul emisiei secundare de electroni la impactul ionilor). Dacă curentul de descărcare este limitat cu ajutorul unei rezistenţe din circuitul exterior, descărcarea poate decurge la un curent mic, în regim neemisiv (aşa numitul regim Townsend), în care distorsiunea câmpului electric aplicat din exterior este neglijabilă. In acest regim, densitatea ionilor pozitivi în spaţiul dintre electrozi este mult mai mare decât decât cea a electronilor (electronii sunt mult mai mobili decât ionii). Când curentul creşte progresiv prin descreşterea rezistenţei exterioare, acumularea ionilor pozitivi în spaţiul de descăcare produce distorsiunea câmpului electric. Această distorsiune modifică echilibrul energetic al electronilor şi în general tinde să mărească multiplicarea şi energia electronilor, ceea ce conduce la creşterea în continuare a curentului de descărcare şi densităţii ionilor, şi micşorarea căderii de tensiune dintre electrozi. Când întinderea sarcinii spaţiale a ionilor pozitivi este de acelaşi ordin de mărime ca şi spaţiul dintre electrozi, electronii nu mai pot difuza liber şi se formează o regiune de cvasineutralitate în regiunea dinspre anod a descărcării, în care electronii şi ionii difuzează cu aceeaşi viteză (difuzie ambipolară). Această regiune cvasineutră este o plasmă. O plasmă slab ionizată reprezintă un sistem complex în care electroni, ioni pozitivi, specii excitate şi fotoni interacţionează împreună şi cu câmpul electric. Câmpul electric în regiunea de plasmă se micşorează iar căderea de potenţial se redistribuie în regiunea dintre catod şi plasmă, până sunt îndeplinite din nou condiţii de echilibru. Acest nou regim corespunde descărcării luminiscente şi este caracterizat printr-o emisiune luminoasă intensă rezultată din dezexcitările atomilor şi moleculelor, a căror excitare s-a produs prin ciocniri electronice. Descărcarea luminiscentă decurge la o tensiune mai mică decât tensiunea de străpungere, tensiunea minimă depinzând de amestecul de gaze şi de catodul materialului (200 V este o valoare tipică). Tensiunea minimă este numită, în general, tensiune de stingere a PDP în curent continuu. Faptul că descărcarea poate decurge la o tensiune mai mică decât cea de străpungere este fundamental pentru funcţionarea PDP, asigurând limitele tensiunii de operare în mod bistabil. Acest fapt permite adresarea unei anumite celule din panoul displei, fără a schimba starea celorlalte celule. Principiul de funcţionare a PDP. In PDP lumina fiecărui element al imaginii este emisă de plasma creată de o descărcare electrică. Dimensiunile descărcării sunt în jur de 100 µm la o presiune de câteva sute de torr, iar tensiunea aplicată între electrozi este între 100-200 V. In cea mai simplă configuraţie, un PDP constă din două plăci de sticlă având depuse pe una din feţe benzi conductoare paralele, subţiri; aceste benzi servesc drept electrozi (Fig. 7.4). Plăcile sunt fixate faţă în faţă astfel ca benzile să fie perpendiculare între ele iar spaţiul dintre ele este umplut cu un amestec de gaze rare. Fiecare pixel aflat la intersecţia unei linii cu o coloană de electrod poate fi iluminată independent când se aplică un puls de tensiune între cei doi electrozi.

109

Pulsul de tensiune duce la străpungerea gazului şi formarea unei plasme slab ionizate care emite lumină vizibilă sau ultravioletă. sticlă dielectric substanţă fosforescentă

dielectric

UV

gaz (neon-xenon)

lumină vizibilă

MgO

electrozi Fig. 7.4 Lumina vizibilă din descărcare este folosită în displeiurile monocrome. In displeiurile color este folosită emisiunea UV din descărcare spre a excita o substanţă fosforescentă în cele trei culori fundamentale (un pixel de pe ecran include trei celule de descărcare). Amestecuri tipice de gaze rare folosite în PDP color sunt neon-xenon şi heliu-xenon, în care fotonii UV cu lungimea de undă 147 nm sunt emişi de către atomii excitaţi de xenon Xe*(3P1) şi cu lungimea de undă 150 nm respectiv 173 nm de către moleculele excimer de xenon Xe2*(Ou+), Xe2*(3Σu+) şi Xe2*(1Σu+). Alegerea procentajului de gaz tampon (heliu sau neon) rezultă din compromisul între tensiune de lucru joasă (mai mult gaz tampon) şi o emisie mai puternică de UV (mai mult xenon). Speciile excitate sunt create în timpul descărcării prin ciocniri cu electronii a atomilor de xenon în starea fundamentală urmată de reacţiile de transfer a excitaţiei. Energia necesară electronilor pentru excitarea atomilor de xenon este furnizată de câmpul electric intens . PDP sunt realizate cu comanda fie în curent alternativ (ac) fie în curent continuu (cc). In PDP cc electrozii sunt în contact cu amestecul de gaz în timp ce în dispozitivele ac electrozii sunt acoperiţi cu un strat de dielectric. Ne vom referi în continuare la PDP ac.

110

Straturile dielectrice sunt acoperite cu un strat de oxid de magneziu (MgO). Rolul filmului de MgO este să protejeze stratul de dielectric şi să micşoreze tensiunea de descărcare datorită coeficientului de emisie secundară mare al MgO la bombardamentul cu ioni de neon. In unele PDP geometria celulei include, pe una din plăci, creste (nervuri) cu rol de barieră dielectrică, paralele cu electrozii spre a realiza o separare fizică a celulelor adiacente şi a evita descărcări încrucişate. In timpul funcţionării, se aplică permanent o tensiune sub formă de impulsuri dreptunghiulare (tensiune de susţinere) pe electrozii linii şi coloane. Amplitudinea acestei tensiuni este mai mică decât tensiunea de străpungere. Pentru a aprinde un element, peste tensiunea de susţinere se aplică o tensiune suplimentară între linia şi coloana care definesc o celulă: ca urmare ia naştere o descărcare şi se emit fotoni UV. Această descărcare conduce la acumularea unei sarcini (sarcină de memorie) pe straturile de dielectric care apoi stabileşte o tensiune opusă celei aplicate. Această reducere a căderii de tensiune conduce la stingerea descărcării. Când se inversează polaritatea, tensiunea datorată sarcinii de memorie se adaugă la tensiunea aplicată şi celula de descărcare se aprinde din nou. Astfel se realizează o descărcare pulsantă în celulă la fiecare semiperioadă, când pixelul este aprins. Pentru a şterge pixelul, un alt puls de tensiune este suprapus peste tensiunea de susţinere, cu o amplitudine astfel încât sarcina de memorie să fie anulată după pulsul de descărcare. Frecvenţele de susţinere tipice sunt de ordinul 50 kHz iar durata unui puls tipic pentru un amestec 90% Ne-10%Xe cu distanţa dintre plăci (gap) 100 µm la 600 Torr este de 20 ns. Starea “aprinsă” este astfel o succesiune de pulsuri de descărcare de 20 ns la 100 kHz. Durata pulsului poate fi puternic afectată de amestecul de gaz şi de geometrie. Celulele pot fi numai în stare “aprinsă” sau “stinsă” şi este imposibil să se moduleze intensitatea luminoasă a pulsului de descărcare. Scara de gri (intensitate variabilă) poate fi obţinută prin folosirea unei modulări ciclice de serviciu (suplimentare), adică prin modularea duratei stării “aprinse” (strălucirea aparentă este media temporală a strălucirii corespunzătoare unui puls de descărcare). 7.4 Xerografia

Xerografia ( “scrierea uscată”) este un procedeu de imprimare a textelor şi imaginilor pe cale electrostatică. Procesul xerografic cuprinde, în principal, următoarele patru etape (Fig. 7.5): Pe placa subţire de material fotoconductor, depusă pe un material metalic, se formează imaginea electrostatică a obiectului. Un fotoconductor este un material bun izolator la întuneric, dar care devine conductor electric când este expus la lumină. La întuneric, pe suprafaţa fotoconductorului se depune uniform sarcină electrostatică. Această încărcare se realizează printr-o descărcare electrică de tip corona pozitivă în jurul unui electrod filiform aflat la circa +5000 V. In

111

vecinătatea firului câmpul electric atinge valori atât de mari încât produce străpungerea gazului, formându-se electroni liberi şi ioni

Fig. 7.5 pozitivi. Electronii din această descăcare corona sunt antrenaţi spre fir iar ionii pozitivi spre faţa fotoconductorului. Această descărcare corona se deplasează odată cu firul peste suprafaţa fotoconductorului, încărcându-l cu sarcină la un potenţial de cca +1000V (Fig. 7.5 a). Din această cauză, la interfaţa metal-semiconductor apare, prin inducţie, o sarcină de semn opus. La întuneric, fotoconductorul nu are sarcini libere mobile şi în secţiunea stratului de dielectric, gros de numai 50µm , există o diferenţă de potenţial mare. Pe faţa dielectricului se proiectează apoi imaginea documentului de copiat. In regiunile luminoase, fotonii absorbiţi crează perechi electron-gol de sarcini mobile (fig. 7.5 b). Fotogenerarea acestor sarcini libere depinde nu numai de fotoconductor, de lungimea de undă folosită şi de intensitatea luminii incidente ci şi de câmpul electric prezent în el. Acest câmp intens (1000 V / 50µm =2⋅107 V/m ) ajută la separarea perechii electron-gol. Electronii sunt antrenaţi de câmp spre faţa pozitivă iar golurile spre cea negativă, unde neutralizează sarcinile de sens opus. In zonele iluminte intens sarcina creată în prima etapă este anihilată total, în cele mai slab iluminate - este redusă parţial, iar în cele neiluminate ea rămâne

112

nemodificată. Astfel imaginea optică este convertită într-o imagine electrostatică. Pentru a developa această imagine electrostatică, particule fine de pigment (toner) încărcate negativ sunt presărate pe placă şi sunt reţinute de regiunile de pe aceasta încărcate pozitiv (fig. 7.5 c). Se formează astfel imaginea vizibilă pe placă. Tonerul este apoi transferat (fig. 7.5 d) pe o foaie de hârtie care a fost în prealabil încărcată pozitiv. O încălzire de scurtă durată a hârtiei topeşte tonerul pe aceasta, permanentizând aderenţa. Placa este apoi pregătită pentru un nou proces de reproducere, mai întâi prin îndepărtarea mecanică a particulelor de toner rămase şi apoi ştergerea imaginii electrostatice printr-o expunere intensă la lumină. In copiatoarele de mare viteză stratul fotoconductor este depus pe un tambur rotitor, de-a lungul perimetrului său realizându-se succesiv etapele de mai sus. Întrebări pentru verificarea însuşirii cunoştinţelor şi pentru evaluare: 1. Care sunt tipurile de procese cuantice posibile între două nivele energetice ale unui atom ? 2. Care este principiul de funcţionare al unui dispozitiv LASER ? 3. Care este fenomenul fizic pe care se bazează transmisia luminii prin fibra optică ? 4. Ce este plasma ? 5. Ce efect fizic se utilizează în copierea xerox ?