Badanie właściwości laserów i wyznaczanie temperatury Debye a nowe ćwiczenia w pracowniach studenckich WFiIS

Transkrypt

1 Seminarium Wydziału FiIS, 12 maja 2017 Badanie właściwości laserów i wyznaczanie temperatury Debye a nowe ćwiczenia w pracowniach studenckich WFiIS Andrzej Zięba Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, AGH Kraków

2 Plan: 1. Wstęp stulecie emisji wymuszonej 2. Laser półprzewodnikowy 3. Laser z podwojeniem częstotliwości 3. Pomiar średniego ciepła właściwego i wyznaczenie temperatury Debye a 5. Konkluzje i podziękowania

3 Emisja wymuszona podstawa działania wszystkich laserów Absorpcja: B 12 Emisja spontaniczna A 21 Emisja wymuszona B 21 Einstein 1917 (stulecie!): B 21 = B 12 A B h c 3 3

4 Ćwiczenie 86 w Pracowni Fizycznej: Laser półprzewodnikowy

5 Parę szczegółów działania lasera czerwonego (struktura lasera fioletowego jest bardziej złożona) Rekombinacja (spontaniczna i wymuszona) zachodzi w obszarze Al 0,1 Ga 0,9 As o zmniejszonej wartości przerwy energetycznej i powiększonym wsp. załamania Warstwa ta, grubości 1 m lub mniej, działa jak światłowód, gdyż n 1 > n 2 Wychodzące ze struktury pp światło ulega ugięciu na tym małym otworze. Aby uzyskać wiązkę równoległą potrzebna jest soczewka.

6 Zestaw do ćwiczenia 86

7 Układ elektryczny (obydwu ćwiczeń)

8 Moc wiązki z pomiaru prądu fotodiody Fotodioda krzemowa FDS -100, powierzchnia czynna: 3,43,4 mm Przeliczenie prądu diody na moc wiązki: P 2 I f C( )

9 A. Pomiar długości fali Siatka dyfrakcyjna i ekran umieszczone między laseren i układem detekcyjnym. Nie wykonujemy żadnych pomiarów elektrycznych. d sin n, sin L 2 x x 2

10 B. Pomiar mocy wyjściowej i sprawności Moc wiązki: laser czerwony laser fioletowy 1,3 mw 30 mw Sprawność laser czerwony 1,4% laser fioletowy 4,1% Laser jest przetwornikiem energii, dla którego wyznaczenie sprawności jest łatwiejsze niż dla innych urządzeń.

11 C. Badanie polaryzacji wiązki Prawo Malusa I f ( ) I f, max cos Wzór roboczy, (uwzględniający przesunięcie skali i nieidealność polaryzatora) 2 I f ( ) I f, min ( I f, max I f, min ) cos 2 ( )

12 Przykład: polaryzacja światła lasera czerwonego i fioletowego

13 Przykład: punkty eksp. i krzywa teoretyczna dla lasera czerwonego

14 D. Profil wiązki a) geometria kolimatora b) definicja szerokości połówkowej

15 Przykład: pomiar profilu + wyznaczenie szerokość wiązki z dopasowanej krzywej Gaussa. FWHM = 0,67mm

16 Przykład: profil wiązki lasera fioletowego w dwóch odległościach od lasera

17 E. Próg akcji laserowej Tylko w tym wariancie wykorzystuje się opornik dekadowy do regulacji natężenia prądu Istnienie minimalnego prądu potrzebnego do zadziałania lasera jest pośrednim dowodem istnienia emisji wymuszonej i inwersji obsadzeń

18 Przykład: pomiar prądu progowego dla lasera fioletowego, I c = 120 ma

19 Przykład: pomiar progu akcji laserowej dla lasera czerwonego (I c = 13mA). Poniżej progu laser emituje słabe światło, prawdopodobnie działając jak dioda LED

20 Ćwiczenie 87 w Pracowni Fizycznej: Laser z podwojeniem częstotliwości

21 Działanie lasera typu zielony wskaźnik : dwa niebanalne zjawiska optyczne dioda świecąca GaAs wytwarza wiązkę 908 nm, pompującą ośrodek czynny lasera akcja laserowa (laser 4-poziomowy) zachodzi na jonach Nd 3+ w krysztale Nd:YVO 4 uzyskane z lasera światło podczerwone 1064 nm jest transformowane na zielone 532 nm w krysztale optycznie nieliniowym KTP (czyli KTiOPO 4 )

22 Schemat budowy lasera zielonego typu wskaźnik (wg. Wikipedii)

23 Układ optyczno-mechaniczny ćwiczenia

24 Pomiary: - długości fali -polaryzacji wiązki - mocy wiązki i sprawności wykonać można tak samo, jak dla lasera półprzewodnikowego. Co jest nowe:

25 Badanie rozdzielenia wiązek zielonej i podczerwonej (skan bez kolimatora) G IR

26 Pomiar szerokości wiązek z wykorzystaniem kolimatora

27 Pomiar natężenia światła w funkcji prądu lasera osobno dla wiązki G oraz IR. Różny charakter I f,ir (I) oraz I f,g (I) jest pośrednim dowodem nieliniowego zjawiska podwojenia częstotliwości

28 Uwagi dot. ćwiczeń z laserami (1): Prawie wszystkie eksperymenty (poza badaniem progu akcji laserowej) w zakresie fizyki klasycznej, ergo nadają się dla innych wydziałów. Tematyka ćwiczeń porusza szereg zagadnień ogólnych, dotyczących nie tylko laserów: - siatka dyfrakcyjna - prawo Malusa - sprawność konwersji energii - definicja szerokości piku

29 Uwagi dot. ćwiczeń z laserami (2): Dla zapewnienia sprawnego wykonania: - zasilacze wtyczkowe (3V lasery, 9V fotodioda), małe i bez elementów regulacyjnych - regulacja prądu przy pomocy opornika dekadowego - mierniki tablicowe z pojedynczym zakresem - - większość elementów podpisana - niezawodne wtyczki udostępnione przez KFCiD

30 Podziękowania (ćwiczenia z laserami): dr. Zofia Sanok inspiracja dawnym ćwiczeniem Właściwości wiązki laserowej Prof. Wojciech Gawlik (IF UJ) pierwsze info o zasadzie działania lasera typu zielony wskaźnik dr. Anna Wnęk przeznaczenie dwóch stanowisk na (szczupłej) powierzchni Pracowni dr Jacek Nizioł polarymetr oraz przesuw mech. inż. Andrzej Skalski wszechstronna pomoc techniczna

31 Ćwiczenie 5 w Pracowni Fizyki Ciała Stałego: Pomiar średniego ciepła właściwego i wyznaczanie temperatury Debye a

32 A. Pomiar średniego ciepła właściwego w zakresie 77 K 295 K

33 Obliczenia Ekstrapolowany ubytek masy azotu Średnie ciepło właściwe c m T Ciepło molowe m m1, m2, p c p, Stosunek ciepła molowego do wartości 3R wynikającej z prawa Doulonga-Petita x e ( 2 1 mol c p, 3 T ) mol R c p e m Q p

34 Próbki & przykładowe wyniki

35 B. Interpretacja: wyznaczanie temp. Debye a klasyczna teoria Dulonga-Petita c V = 3R kwantowa teoria Debye a fononowego ciepła właściwego B D D T T x x D B V k T x e e x T T Nk c D / gdzie d 1) (

36 Krzywa cechowania z teorii Debye a, T 1 =77 K, T 2 = 295K 3 TD / T2 3 3 TD T1 T2 x T1 3T2 dx 3 T x 1 c V, mol T D e 1 T 0 D 0 3R T2 T teor 1 3 x dx x e 1 1, ,8 c mol / (3R) 0,6 0,4 0,2 0, T D

37 Poprawki do teorii Debye a poprawka na izobaryczne warunki pomiaru ( - liniowa rozszerzalność termiczna, - ściśliwość) c p c v T V mol (3 ) 2 elektronowe ciepło właściwe c el T znaczenie poprawek (na przykładzie Pb): c p c V = 4,1% 3R c el = 2,2% 3R

38 Zestawienie & interpretacja ( ) k m 1600 wartosci tabel Temperatura Debye'a C SiC Si Fe mój pomiar 2017 Lipiarz Banas Cd Pb Al Cu liczba atomowa

39 Zastosowanie w nauce: eksperyment testowy dotyczący wartości T D dla różnych faz stopu Fe-Cr (dla prof. St. Dubiela) Faza Faza c mol = 19,7 J/(molK) c mol = 20,0 J/(molK) Wniosek (negatywny): w granicach niepewności wartości T D obydwu faz takie same

40 Konkluzje dot. omawianego ćwiczenia: proste w wykonaniu, bez pomiarów elektrycznych stało się możliwe dzięki wynalazkowi wag elektronicznych w zakresie fizyki klasycznej zaznajamia z podstawami kalorymetrii i kriogeniki w zakresie FCS zaznajamia z teorią ciepła właściwego ciał stałych umożliwia pomiar znacznej liczby próbek dokładność wyznaczenia T D wystarczająca

41 Podziękowania: Prof. St. Skrzypek (WIMiIP) próbka SiC Dr. inż. Damian Rybiński ustawienie ćwiczenia w Pracowni FCS (w tym zakup właściwej wagi) i krytyczne przeczytanie instrukcji

42 Dziękuję za wysłuchanie referatu