Ćwiczenie 87. W lasności promieniowania lasera pó lprzewodnikowego

Transkrypt

1 Ćwiczenie 87. W lasności promieniowania lasera pó lprzewodnikowego Z.Sanok 15 października Cel ćwiczenia Zapoznanie sie z zasada dzia lania laserów. Pomiary podstawowych w lasności promieniowania laserowego. Zastosowanie lasera do wyznaczania poziomych i pionowych linii. 2 Wprowadzenie Widmo promieniowania elektromagnetycznego (ćwiczenie 64 Mikrofale) obejmuje olbrzymi zakres d lugości fal. Promieniowanie elektromagnetyczne o d lugościach fali z obszaru widzialnego emitowane jest przez cia la sta le o temperaturach wyższych od tysiaca kelwinów oraz przez gazy w których zachodzi wy ladowanie elektryczne. Najbardziej znanym źród lem promieniowania świat la sa gwiazdy a wśród nich S lońce. Równie dobrze znane źród la świat la takie jak żarówka czy neonówka to najlepsze przyk lady zastosowań widzialnego zakresu promieniowania elektromagnetycznego. Niektóre zastosowania oraz badanie naukowe oddzia lywania promieniowania elektromagnetycznego z ośrodkiem materialnym wymagaja zastosowania spójnego, spolaryzowanego źród la fal o odpowiednio dużej mocy. Takiego promieniowania dostarczy ly naukowcom dopiero lasery. Pierwsze lasery gazowe i rubinowe by ly to urzadzenia duże i skomplikowane używane tylko przez naukowców. Ma ly gazowy laser helowo-neonowy pojawi l sie jako niezastapione źród lo świat la do doświadczeń na uczelniach i w szko lach ale dopiero lasery pó lprzewodnikowe wkroczy ly do optoelekroniki i urzadzeń codziennego użytku. Laser pó lprzewodnikowy Konstrukcje lasera pó lprzewodnikowego poprzedzi ly diody elektroluminescencyjne, które emituja niespójne promieniowanie elektromagnetyczne (ćwiczenie 85 Diody elektroluminescencyjne - wyznaczanie sta lej Plancka). Wystarczy jednak ukszta ltować powierzchnie z l acza p-n tak aby prostopad le do niego ścianki tworzy ly rezonator Fabry ego-pêrota i po przekroczeniu nateżenia progowego pradu p lyn acego przez z l acze spolaryzowane w kierunku przewodzenia, otrzymujemy akcje laserowa. Z l acze p-n może być wytworzone w 1

2 pó lprzewodniku jednego rodzaju (homoz l acza) lub pó lprzewodnikach chemicznie różnorodnych (heteroz l acza). Ideowe schematy pó lprzewodnikowych laserów homoz l aczowych i heteroz l aczowych pokazane sa na rysunku 1a i 1b. Warunki do powstania akcji laserowej sa spe lnione tylko w cienkim obszarze na styku pó lprzewodnika typu p i typu n. Progowe gestości pradu dla lasera homoz l aczowego z arsenku galu sa rzedu 10 4 Am 2 i laser może pracować tylko impulsowo. Dużo mniejsze straty promieniowania oraz gestości pradów w laserze heteroz l aczowym umożliwiaja jego prace ciag l a w temperaturach pokojowych. Z Rysunek 1: Ideowy schemat lasera: a) homoz l aczowego, b) heteroz l aczowego. laserów pó lprzewodnikowych otrzymujemy rozbieżna, spolaryzowana i o ma lym stopniu spójności wiazk e ale o mocy wielokrotnie przewyższajacej moc diody elektroluminescencyjnej. Z l aczowe źród la promieniowania maja duża sprawność przemiany energii (> 30%), d lugi czas pracy (> 1000 h) i bardzo ma le rozmiary. Prostopad lościany pó lprzewodnikowych diod laserowych maja wymiary rzedu u lamków milimetra a warstwy czynne rzedu mikrometra. Wiazk e możemy latwo modulować z czestościami rzedu 1GHz. 2

3 Literatura [1] Halliday D, Resnick R.; Fizyka 2. PWN Warszawa 1984 [2] Crawford F.C.; Fale PWN Warszawa 1972 [3] Herman M. A., Optoelektronika pó lprzewodnikowa; Encyklopedia fizyki wspó lczesnej. PWN Warszawa 1983 [4] Siuzdak J., Wst ep do wspó lczesnej telekomunikacji świat lowodowej. WK L Warszawa 1997 [5] Konopka Nowina M., Zieba A. i inni; Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki Cz eść II. Wydawnictwo AGH Kraków 1986 Wymagana znajomość tematyki zwiazanej z ćwiczeniem Elektroluminescencja, laser pó lprzewodnikowy. Równania Maxwella, równanie falowe. W lasności promieniowania laserowego: spójność, polaryzacja, absorpcja, odbicie, dyfrakcja, interferencja (fale stojace).... Świat lowód, detekcja i modulacja świat la laserowego. Zastosowania laserów pó lprzewodnikowych. 3 Aparatura W sk lad aparatury wykorzystywanej w ćwiczeniu wchodza: poziomica laserowa, wskaźnik laserowy, laser He-Ne uk lad detekcyjny z pó lprzewodnikowym detektorem świat la, statywy umożliwiajacy zmiane po lożenia sondy detekcyjnej, siatka dyfrakcyjna, polaryzator. Uk lad detekcyjny z pó lprzewodnikowym detektorem świat la Do detekcji używamy elementu pó lprzewodnikowego (pó lprzewodnik, fotodioda, fototranzystor) umieszczonego w os lonie (otwartej z jednej strony). Uproszczony schemat uk ladu detekcyjnego pokazany jest na rysunku 2. Miernikiem w uk ladzie może być miliwoltomierz lub mikroamperomierz. 3

4 Rysunek 2: Schemat uk ladu detekcyjnego 4 Wykonanie ćwiczenia Pomiary wst epne: 1. Statyw poziomicy laserowej ustawić tak by na drodze wiazki nie mog ly znaleźć sie osoby przebywajace w pracowni. Wypoziomować statyw i g lowice poziomicy korzystajac z instrukcji fabrycznej poziomicy. 2. Usunać przedmioty stojace na drodze wiazki promieniowania, aby zapobiec odbiciu fal. 3. W obecności prowadzacego ćwiczenia w l aczyć zasilanie lasera i uzyskać na ekranie pozioma linie. Od chwili w l aczenia zasilania lasera nie wolno patrzeć bezpośrednio w świat lo lasera. Pomiar mocy i sprawności laserów: 1. Miernik mocy laserowej ustawić w odleg lości oko lo 20 cm od lasera. 2. Zredukować do zera obroty g lowicy poziomicy laserowej i skierować wiazk e świat la na os lon e pó lprzewodnikowego miernika. Ustawić zakres miernika na moc 5 mw. Po zdjeciu os lony sprawdzić czy wiazka oświetla świat loczu l a powierzchnie pó lprzewodnika i dobrać zakres miernika tak by wskazanie miernika by lo maksymalne. 3. Wykonać pomiary zależności mocy wiazki świat la od nateżenia pradu zasilania lasera dla pradów malejacych i rosnacych. Pomiedzy poszczególnymi pomiarami mocy wiazki świat la zachować odstep czasowy oko lo 2 minut. Pomiar stopnia polaryzacji lasera: 1. Wstawić polaryzator pomi edzy laser a miernik mocy laserowej. 4

5 2. Krec ac polaryzatorem znaleźć po lożenia, dla których otrzymujemy maksymalna i minimalna wartość wskazań miernika. 3. Kilkakrotnie powtórzyć punk 2 notujac zakresy miernika, wartości wskazań miernika i katowe ustawienia polaryzatora. Pomiar kata rozbieżności wiazki świat la lasera: 1. W bieg wiazki świat la lasera w odleg lości oko lo 1 m od lasera wstawić prostopadle ekran z kartka papieru i zaznaczyć szerokość wiazki (granice pierwszego maksimum obrazu dyfrakcyjnego). 2. Zmierzyć odleg lość ekranu od lasera. 3. Punkt 1 i 2 powtórzyć dla odleg lości ekranu powyżej 5 m od lasera. Pomiar d lugości fali świat la lasera: 1. Zestawić przyrzady wed lug schematu pokazanego na rysunku 3. Ekran E powinien być ustawiony równolegle do siatki dyfrakcyjnej S. 2. Wyjustować uk lad tak, aby wiazka świat la laserowego pada la prostopadle na siatke dyfrakcyjna. Skorzystać z wiazki cześciowo odbitej od siatki dyfrakcyjnej Rysunek 3: Schemat doświadczenia: L-laser, S-siatka dyfrakcyjna, E-ekran 3. Zmierzyć na ekranie odleg lości pomiedzy wiazkami ugietego świat la laserowego y. Dla poprawnego ustawienia lasera odpowiednie odleg lości (dla pierwszego, drugiego i nastepnych rzedów ugiecia) zmierzone po lewej i prawej stronie prażka zerowego O powinny zawierać sie w granicach niepewności pomiaru (1 cm lub średnica plamki na ekranie). 5

6 4. Zmierzyć średnice plamek na ekranie. 5. Zmierzyć ustawiona odleg lość x pomiedzy elementami S i E. 6. Powtórzyć pomiary wykonane w punktach 2, 3 i 4 dla wiazki świat la uzyskanej ze wskaźnika laserowego i lasera He-Ne. 6

7 5 Opracowanie wyników Dla każdego z wykonywanych pomiarów należy narysować schemat doświadczenia i nanieść na schemat zmierzone odleg lości pomiedzy przyrzadami oraz opisać pomiary i przeprowadzić ocene niepewności pomiarów. Obliczyć d lugość fali λ dla każdego używanego w ćwiczeniu lasera pó lprzewodnikowego korzystajac z wykonanych pomiarów i d lugości fali emitowanej przez laser He-Ne (632.8 nm). 7