Узконаправленные излучающие диоды и модули инфракрасного диапазона с силой излучения до 200 Вт/ср

λУзконаправленные диоды инфракрасного диапазона (ИК-диоды) применяются в технике ночного видения, ИК-освещения, дистанционного управления, оптической связи и т. п.

Особенности разрабатываемых конструкций

Для изготовления ИК-диодов использовались импортные кристаллы на основе p-n-гетероструктуры AlGaAs размером 1,07×1,07 мм и 0,7×0,7 мм. Мощность излучения кристаллов размером 1,07×1,07 мм  с λ_max = (855 ±15) нм составляла, по данным поставщика, не менее 220–250 мВт при токе 350 мА, кристаллов с λ_max = (940 ±15) —  не менее 160–190 мВт. Мощность излучения кристаллов размером 0,7×0,7 мм  с  λ_max = (855 ±15) нм составляет не менее 160–190 мВт при токе 350 мА.

При конструировании ИК-диодов излучающий кристалл размещался в полимерном корпусе из эпоксидного компаунда с показателем преломления n = 1,56.

Для получения потока излучения в виде пучка почти параллельных лучей был применен асферический полимерный купол с уменьшенными потерями на сферическую аберрацию [1, 2]. Как показано в [1, 3], оптимальная преломляющая асферическая поверхность имеет форму эллипса, второй фокус которого совпадает с положением излучающего кристалла.

Разработанные конструкции ИК-диодов типов У-176 и малогабаритного У-190Б-1 приведены на рис. 1.

Рис. 1. Конструкции ИК-диодов

Спектры излучения ИК-диодов показаны на рис. 2. Как видно из рассмотрения рисунка, полуширина полосы  с λ_max = 858 нм составляет около 40 нм, а полосы с λ_max = 950 нм — около 50 нм.

Рис. 2. Спектры излучения ИК-диодов: 1 — lmax = 850 нм; 2 — lmax = 950 нм

Диаграммы пространственного распределения мощности излучения ИК-диодов приведены на рис. 3. Видно, что угол излучения ИК-диодов типа У-176 составляет 2 × Θ_0,5 = 5,5°, а диодов типа У-190Б-1 —  2 × Θ_0,5 = 8°.

Рис. 3. Диаграммы пространственного распределения излучения:
1 — ИК-диод типа У-176;
2 — ИК-модуль типа МИК-4;
3 — ИК-диод типа У-190Б-1

Измерения

Мощность излучения Р_е ИК-диодов измерялась с помощью шарового фотометра, представляющего собой фотометрический шар диаметром 200 мм с входным отверстием 20 мм. В качестве фотоприемника использовался серийно выпускаемый фотодиод ФД-24К. Относительная спектральная чувствительность шарового фотометра определялась на универсальном вычислительном спектральном комплексе КСВУ-23. В качестве опорного приемника использовался кремниевый фотодиод ФД-288Б с известной спектральной чувствительностью, погрешность ее определения не превышает ±2% в диапазоне длин волн 460–980 нм. Калибровка абсолютной чувствительности шарового фотометра проводилась с помощью образцового средства измерений потока излучения ОСИПИ-2 с длиной волны в максимуме спектра излучения λ_max = 940 нм и погрешностью воспроизведения потока излучения не более ±2%.

Расчет значений мощности излучения и силы излучения проводился по измеренным значениям фототока фотодиодов, работающих в режиме короткого замыкания, с учетом спектра излучения ИК-диодов, измеренного на двойном монохроматоре МДР-2 по светоизмерительной лампе СИРШ6-100, аттестованной по спектральной плотности энергетической яркости.

Измерение силы излучения J_e ИК-диодов проводилось на гониометре, представляющем собой поворотный механизм и фотодиод ФД-288 с калиброванной диафрагмой диаметром 6 мм. Расстояние от излучающего ИК-диода до фотодиода 4 м. Спектральная чувствительность фотодиода в диапазоне длин волн 460–980 нм  определена с погрешностью, не превышающей ±2%.

Параметры разработанных ИК-диодов и модулей

Параметры ИК-диодов и модулей приведены в таблице.

Как видно, мощность излучения диода типа У-176Б-1 достигает 680 мВт при токе 700 мА, что соответствует внешнему квантовому выходу излучения  ŋ_вн= 66% (λ_max = (850 ±15) нм). Диод У-176В-1  (λ_max = (940 ±15) нм) имеет мощность излучения 600 мВт, что соответствует ŋ_вн= 65%.

Мощность излучения диода У-190Б-1 составляет 430 мВт при токе 600 мА, что соответствует ŋ_вн= 50%.

Полученные значения внешнего квантового выхода излучения (до 66%) весьма высоки.

Сила излучения диодов У-176 достигает 18 Вт/ср при токе 700 мА при угле излучения 2 × Θ_0,5 = 5,5°. В импульсном электрическом режиме при токе в импульсе 3 А, длительности импульса 1 мкс и скважности 10 сила излучения достигает 70 Вт/ср.

Сила излучения диодов У-190Б-1 составляет 6,5 Вт/ср при токе 600 мА при угле излучения 2 × Θ_0,5 = 8°. В импульсном электрическом режиме при токе в импульсе 1,5 А сила излучения достигает 16 Вт/ср.

Полученные значения силы излучения также весьма высоки, что позволяет использовать ИК-диоды на значительном расстоянии от фотоприемников.

Зависимость мощности излучения и силы излучения от прямого тока в импульсном режиме для ИК-диода типа У-176 приведена на рис. 4. Видно, что зависимость близка к линейной.

Рис. 4. Зависимость мощности излучения и силы излучения ИК-диода У-176 от прямого тока в импульсном режиме

Рассматриваемые ИК-диоды имеют время нарастания и спада импульса излучения по уровням 0,1–0,9 в диапазоне 20–50 нс.

С целью повышения мощности излучения и силы излучения разработан модуль МИК-4 (рис. 5), содержащий 4 ИК-диода типа У-176. Как показано в таблице, мощность излучения модуля МИК-4Б (λ_max = (850 ±15) нм)  достигает 2,5 Вт, а сила излучения 60 Вт/ср  при угле излучения 2 × Θ_0,5 = 6° и прямом токе 700 мА. Мощность излучения модуля МИК-4В (λ_max = (940±15) нм) несколько ниже и составляет 2 Вт.

Рис. 5. Внешний вид модуля МИК-4

В импульсном электрическом режиме при токе в импульсе 3 А (средний ток не более 0,3 А) сила излучения модулей МИК-4 достигает 200 Вт/ср. Зависимость мощности излучения и силы излучения модулей МИК-4 от прямого тока в импульсном режиме приведена на рис. 6. Видно, что зависимость близка к линейной. Размеры модуля МИК-4: диаметр 65 мм, высота 57 мм.

Рис. 6. Зависимость мощности излучения и силы излучения модуля МИК-4 от прямого тока в импульсном режиме

Таким образом, представлены результаты разработки высокоэффективных (ŋ_вн до 66%) узконаправленных (2 × Θ_0,5 до 5,5°) ИК-диодов и модулей с силой излучения до 60 Вт/ср на постоянном токе и до 200 Вт/ср  в импульсном режиме.

Авторы благодарят И. Т. Рассохина за помощь в работе.