1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Transkrypt

1 1 I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego Cel ćwiczenia: Wyznaczenie charakterystyki spektralnej nietermicznego źródła promieniowania (dioda LD i laser półprzewodnikowy) przy pomocy detektora fotonowego Opis stanowiska: Detektory fotonowe: fotodioda Si, e, InaAs Diody LD na zakres widzialny Laser półprzewodnikowy max = 1.53 m Światłowód Woltomierze: MTX, V640 lub cyfrowy V544; amperomierz MTX lub V623 Skrzynka pomiarowa Monochromator siatkowy na zakres widzialny prom. e.m. Monochromator siatkowy na zakres podczerwony prom. e.m. Monochromator SPM-2 Wstęp teoretyczny. Długość fali promieniowania emitowanego przez diodę półprzewodnikową w skutek rekombinacji par elektron dziura wyraża się wzorem: hc (1) gdzie jest szerokością przerwy wzbronionej półprzewodnika. Zatem aby oszacować należy wyznaczyć długość fali odpowiadającej maksymalnej zdolności emisyjnej diody. Należy zdawać sobie sprawę z faktu, iż w praktyce dioda LD emituje światło w pewnym zakresie spektralnym, a nie jedynie światło o długości fali odpowiadającej maksimum zdolności emisyjnej. Wartość tego przedziału charakteryzuje wielkość zwana szerokością połówkową spektrum diody. Szerokość połówkowa to parametr, który charakteryzuje linię widmową. Jest to przedział częstości, dla których natężenie linii widmowej jest większe od

2 2 połowy maksymalnego natężenia. W przypadku diod LD szerokość połówkowa zawiera się w przedziale nm (w przypadku laserów jest to przedział od do 10 nm). Na rys. 1 przedstawiono profil linii widmowej wraz z zaznaczoną szerokością połówkową. Rys.1. Przykładowy profil linii widmowej. Przebieg ćwiczenia: I. Pomiar charakterystyk spektralnych diod LD 1. Zestawić układ wg. schematu przedstawionego na rys.2, stosując jako źródło światła diodę LD. Schemat układu zasilającego diodę LD przedstawia rys. 3. Jako detektor fotonowy zastosować fotodiodę krzemową (dla diod LD z zakresu widzialnego) lub detektory: e lub InaAs (dla diod LD z zakresu podczerwieni i lasera). Wybrać układ z odpowiednim monochromatorem na określony zakres spektralny. 2. Zmierzyć charakterystyki spektralne wybranych diod LD, tzn. zmierzyć zależność fotoprądu fotodiody ustawionej naprzeciwko szczeliny wyjściowej monochromatora w funkcji długości fali. Pomiary wykonać w następujący sposób: ustawić długość fali przy której napięcie na fotodiodzie jest największe. Odczytać tę długość fali max. Zmieniając długość fali w stronę fal krótszych, znaleźć taką długość fali 1, przy której prąd fotodiody spadnie do 10% wartości maksymalnej. Podzielić zakres długości fal max - 1 na 8 części i dla każdej wartości zmierzyć prąd fotodiody. W ten sam sposób powtórzyć pomiary zmieniając długość fali w stronę fal dłuższych.

3 3 Rys.2.Układ do pomiaru charakterystyk spektralnych diod LD Rys.3.Układ zasilający diody LD, służący również do pomiaru charakterystyk I-V. 3. Dla długości fali odpowiadającej maksimum zdolności emisyjnej badanej diody LD (czyli maksimum prądu fotodiody) zmierzyć zależność prądu fotodiody w funkcji prądu płynącego przez diodę LD. II. Laser półprzewodnikowy. 1. Połączyć układ pomiarowy wg schematu przedstawionego na rys.4. Rys Zaobserwować zmiany napięcia na wyjściu fotodiody e oświetlanej laserem półprzewodnikowym w funkcji częstotliwości modulacji lasera. Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu skrajne wartości częstotliwości modulacji lasera. 3. Zestawić układ wg. schematu przedstawionego na rys.2, stosując jako źródło światła laser półprzewodnikowy. Badany laser półprzewodnikowy, wmontowany w moduł zasilający, emituje światło o długości fali 1535nm, dlatego należy zastosować bądź

4 InaAs. 4 monochromator siatkowy na zakres podczerwony bądź monochromator SPM-2. Naprzeciw szczeliny wyjściowej monochromatora ustawić fotodiodę Fotodiodę połączyć z nanowoltomierzem selektywnym. e lub - otworzyć szczeliny monochromatora. Ustawić szerokość szczelin monochromatora na 0.5 mm - ustawić długość fali na 1.53 m - połączyć wyjście detektora z wejściem NANOWOLTOMIRZA SLKTYWNO ustawić maksymalny zakres pomiarowy dla nanowoltomierza. - włączyć laser - w obecności prowadzącego włączyć NANOWOLTOMIRZ SLKTYWNY 233 do sieci. - korzystając z wyników pomiarów przeprowadzonych w punkcie 2, ustawić pokrętło częstotliwości nanowoltomierza w takim położeniu, przy którym sygnał na wyjściu detektora jest największy (tzn. w położeniu odpowiadającym skrajnym wartościom częstotliwości modulacji lasera). - jeśli na największym zakresie pomiarowym sygnał jest bliski zeru, zmniejszać skokowo zakres pomiarowy, tak aby wychylenie wskazówki osiągnęło wartość równą ok. 2/3 zakresu pomiarowego. - skorygować położenie detektora tak, aby uzyskać maksymalne napięcie na wyjściu. - wykonać pomiary charakterystyki spektralnej lasera podobnie jak dla diody LD. Opracowanie wyników: Ad I 1.Narysować charakterystyki spektralne diod LD tzn. zależność zdolności emisyjnej od długości fali. Na podstawie tych charakterystyk : - określić wartość energii wzbronionej półprzewodnika z którego wykonano badaną diodę korzystając z zależności g =hc/ max gdzie h stała Plancka, c prędkość światła w próżni, max -długość fali odpowiadająca maksimum zdolności emisyjnej diody LD. - wyznaczyć szerokość połówkową spektrum diody; porównać z danymi katalogowymi. 2. Dla długości fali odpowiadającej maksimum zdolności emisyjnej badanej diody LD zmierzyć zależność napięcia fotodiody w funkcji prądu płynącego przez diodę LD.

5 5 3.Opisać różnice między charakterystykami spektralnych źródeł termicznych i nietermicznych. Uzasadnić te różnice. 4. Narysować zależność prądu fotodiody od prądu diody LD. 5. We wnioskach uzasadnić otrzymane wyniki. Ad. II Narysować charakterystykę spektralną lasera tzn. zależność zdolności emisyjnej od długości fali. Na podstawie tej charakterystyki: - określić wartość energii wzbronionej półprzewodnika z którego wykonano laser korzystając z zależności g =hc/ max gdzie h stała Plancka, c prędkość światła w próżni, max -długość fali odpowiadająca maksimum zdolności emisyjnej lasera. - wyznaczyć szerokość połówkową spektrum lasera; porównać z danymi katalogowymi. Literatura: Wykłady: 6, 7 i 10 1.J.Piotrowski, A.Rogalski, "Półprzewodnikowe detektory podczerwieni" WNT 1985, rozdz.1,2 i 11. Pytania kontrolne 1. Złącze p-n. Charakterystyka prądowo-napięciowa. 2. Zasada działania diody LD i lasera półprzewodnikowego 3. misja spontaniczna i wymuszona. 4. Półprzewodniki z prostą i skośną przerwą wzbronioną. 5. Warunki wystąpienia akcji laserowej w złączu p-n.