Контрольные вопросы

1. Дайте определения полупроводниковых приемников излучения и фотодиодов.

2. Что представляет собой р-п переход? Каковы его свойство, зонная диаграмма, вольт – амперных характеристика?

3. В чем состоит сущность внутреннего фотоэффекта?

4. Какие материалы используют для изготовления фотодиодов? Какова их инструкция?

5. Почему свойства фотодиодов определяются изменениям концентраций неосновных носителей заряда при освещений?

6. Каково включение фотодиода в фотодиодном режиме? В чем заключается принцип работы, каковы ВАХ, световая характеристика? Для чего предназначен фотодиодный режим? Что называется чувствительностью фотодиода?

7. Для чего применяют фотодиоды в фотогальваническом режиме?

8. В чем заключается фотогальванический режим работы фотодиодов? Объясните механизм образования фото – ЭДС.

9. Какие характеристики определяют работу фотодиода в фотогальваническом режиме? Что представляет собой КПД фотодиода?

10. Каково схема лабораторной установки для снятия ВАХ в фотогальваническом режиме?

Лабораторная работа №77. Изучение газового гелий-неонового лазера

Цель работы: изучить принципы получения лазеров на твёрдотельной газовой среде. Исследовать некоторые параметры газового гелий-неонового лазера.

Теоретическое введение

Населенности энергетических состояний и виды излучений

Выберем из энергетического спектра системы атомов два энергетических уровня W₁ и W₂ , причём W₂ >W₁. Число атомов N системы, имеющих данную энергию, называется населённостью энергетического уровня. Таким образом, уровням W₁ и W₂ соответствуют населённости N₁и N₂.

Известно, что все системы в природе стремятся к состоянию устойчивого равновесия, которое характеризуется минимумом потенциальной энергии. Для системы атомов это означает, что при заданных значениях энергии W₁ и W₂(W₂ >W₁) большая их часть будет находится в состоянии с меньшей энергией W₁. Математически распределение населённостей энергетических уровней в системе атомов, находящихся в равновесном состоянии, задается функцией Больцмана, график которой изображен на рис.77.1:

Рисунок 77.1

(77.1)

где N₁ – населённость уровня W₁; N₂ – населённость уровня W₂ ; T – абсолютная термодинамическая температура, Т>0.

При любой заданной температуре величина <1, а значит и <1 и N₂<N₁.

Только при T→∞ N₂-N₁, т.е. все энергетические состояния могут быть заселены одинаково. Следовательно, при любых тепловых возбуждениях энергетически более высокое состояние заселено меньше любого низшего.

Искусственным путём можно привести систему атомов в термически неравновесное состояние с антибольцмановским населением уровней, т.е. сделать N₂>N₁. Такое неравновесное состояние системы называется инверсией (обращением) населенностей. Математически это значит, что и >1. При W₂ >W₁ это возможно лишь при отрицательных значениях температуры Т. Поэтому среду, в которой осуществлена инверсия населённостей между какими-либо уровнями, называют иногда средой с «отрицательной» температурой. Поглощение энергии системой сопровождается переходами 1-2 на рисунке 77.2:

Рисунок 77.2

Среднее время жизни возбуждённого состояния порядка 10^-8с, за это время атом переходит в более низкое энергетическое состояние самопроизвольно (спонтанно) или вынужденно, излучая при этом энергию. Существуют и такие возбужденные состояния атомов, излучательные переходы которые либо идут с малой вероятностью, либо вовсе запрещены. Время жизни таких состояний, называемых метастабильными, велико и достигает порядка 10^-3с.

При спонтанном переходе за счет того, что каждый атом излучает независимо от других, несогласованно, излученные фотоны имеют произвольные фазы и поляризации и вылетают из данной системы атомов в произвольных направлениях. Волны, соответствующие этим фотонам, будут некогерентными, рассеянными в пространстве, с малой плотностью энергии излучения (плотность энергии – это энергия, приходящаяся на единицу излучающей поверхности).

Вынужденный (индуцированный ) переход происходит в случае, если мимо атома, находящегося в возбужденном состоянии W₂ , пролетает фотон, энергия которого находится в резонансе с энергией уровней 1 и 2 , т.е. hν= W₂ -W₁ (рисунок 77.2)

Этот фотон «подталкивает» возбуждённый атом с энергией W₂, и тот «скатывается» в состояние W₁, излучая фотон полностью идентичный фотону, вызвавшему переход, той же частоты, фазы, поляризации и летящей в том же направлении. Этот процесс можно изобразить диаграммой (рисунок77.3):

Рисунок 77.3

На ней волнистые стрелочки обозначают фотоны. Волны, соответствующие первичным и вторичным фотонам, когерентны, распространяются в одном направлении, усиливая друг друга. Плотность энергии излучения велика, т.к. излучаемая энергия приходится на очень малую площадь.

Кроме этих переходов, в твердых телах возможен еще один тип- релакционный. Он не сопровождается излучением, избыточная энергия передается кристаллической решетке в виде усиления колебаний её узлов, что приводит к нагреву всего кристалла.

Взаимодействия излучения с веществом. Условия получения лазера

Если в систему атомов попадает фотон энергии hν= W₂ -W₁ (W₂ >W₁) он может быть поглощен любым из числа атомов или вызвать индуцированный переход любого из числа N₁ атомов. А.Эйнштейн показал, что вероятность перехода пропорциональна населённости энергетического уровня. Это значит, что среда с равновесным (больцмановским) распределением атомов по энергиям (N₁ > N₂ всегда) будет, в основном, поглощать попадающее в неё излучение. Такая среда называется оптически неактивной, коэффициент поглощения её положителен.

В среде с осуществленной инверсией населенностей (N₂>N₁) вероятнее индуцированные переходы, которые приводят к усилению излучения. Среда с инверсией населенностей называется оптически активной, её коэффициент поглощения отрицателен.

Ясно, что для получения оптического квантового генератора- лазера, нужно вызвать в среде инверсию населённостей. Процесс получения инверсии между выбранными двумя уровнями является первым из необходимых условий получения лазера на твёрдотельной или газовой среде и называется накачкой. В твердотельных лазерах накачка оптическая, т.е. атомы возбуждаются вследствие облучения кристалла электромагнитными волнами. В газовых лазерах накачка обеспечивается, как правило, возбуждением атомов газовым разрядом. Вторым необходимым условием получения лазера на любой среде является наличие у неё метастабильных состояний. Среднее время жизни уровня, порядка τ -10^-8с. За это время невозможно совершить накачку, т.к. уровень успеет самопроизвольно разрушиться. Если же верхний из двух выбранных для получения лазера уровней будет метастабильным (время жизни τ-10^-3с), можно успеть населить его инверсию по сравнению с нижним, и прежде чем система придёт в равновесие (к распределению Больцмана), в ней можно вызвать индуцированное излучение с последующим усилением его, т.е. вызвать лазерный эффект.

Условием усиления и генерации индуцированного излучения- третьим необходимым условием получения лазера- является наличие оптического резонатора- системы параллельных зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями. Оптический резонатор обеспечивает обратную положительную связь (т.е. возвращение вторичных, вновь рожденных, фотонов в активную среду в качестве первичных) и избирательность излучения по частоте (коэффициенты отражения диэлектрических покрытий подбираются таким образом, чтобы отражались волны нужной частоты и поглощались остальные). Расстояние между зеркалами подбирается таким образом, чтобы между идущей к зеркалу и отраженной волной выполнялось условие интерференции 2dn=kλ, что приводит к резкому усилению выходящей через зеркало электромагнитной волны.

Перечисленные условия являются общими для всех лазеров. Отличаются лазеры: 1) рабочей средой 2) способом накачки 3)конструкцией резонатора 4) режимом работы.

В данной лабораторной работе рассматриваются принципы работы и исследуются характеристики газового гелий-неонового лазера, отличительной особенностью которого является острая направленность, высокая монохроматичность, пространственная когерентность и стабильность частоты излучения.

Лабораторная установка и метод измерений

Устройство лазера изображено на рисунке 77.4. Основой конструкции лазера является длинная кварцевая трубка, торцы которой срезаны относительно оптической оси трубки под углом Брюстера φ, что обеспечивает избирательность излучения по поляризации. Длинная трубка выделяет фотоны , идущие по её оси. Фотоны, появляющиеся вследствие индуцированного излучения и летящие под произвольным углом к оси, поглощаются стенками трубки. Таким образом, выходящий пучок получается остронаправленным с высокой плотностью энергии в сечении и малой угловой расходимостью.

Схема He-Ne лазера

Рисунок 77.4

1 и 6 - частично прозрачные зеркала, плоское и сферическое. Излучение выходит через плоское зеркало. 2 - кварцевая трубка, наполненная смесью гелия (100 Па) и неона (10 Па). К концам трубки приклеены кварцевые пластины под углом Брюстера. 3,4,5 - внешние электроды, соединенные с генератором 7.

Оптическим резонатором является система плоского и сферического зеркал, покрытых многослойными диэлектриками с высоким коэффициентом отражения для определённой длины волны λ.

Рабочей средой лазера является смесь газов гелия и неона, взятых в соотношении 10:1 или 15:1. Излучающим веществом является неон. С помощью высококачественного генератора (с частотой несколько десятков МГц и потребляемой мощностью 50Вт) в трубке устанавливается тлеющий газовый заряд.

Схема энергетических уровней газов приведена на рисунке 77.5:

Рисунок 77.5

Энергетические уровни неона и гелия. Метастабильные состояния гелия близки по значениям энергии метастабильным состояниям неона.

Появляющиеся в разряде электроны, сталкиваясь с атомами гелия и неона, переводят их в возбужденные состояния. Но для создания инверсии населённостей между уровнями 35 - 2р или 25 - 2р неона этого механизма возбуждения недостаточно. Основную «работу» по созданию инверсии населенностей выполняет гелий. Состояния 2¹5 и 2³5 гелия метастабильны, излучательные переходы с них запрещены. За время существования в этих состояниях атомы гелия успевают столкнутся с невозбужденными атомами неона. Так как. уровни 2¹5 гелия и 35 неона близки по значениям энергии, то при таком неупругом ударе происходит резонансная передача энергии от атомов гелия к атомам неона. При достаточно большом количестве атомов гелия в смеси этот механизм способствует созданию инверсии населённостей между уровнями 35 и 2р (25 и 2р) неона. Кроме того, уровень 2р опустошается за счет соударения атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Для эффективного опустошения уровня, 2р диаметр ограничивает количество неона, и следовательно, мощность генерации.

Оптимальный диаметр газоразрядной трубки 7 мм, а давления газов: неона - 10 Па, гелия - 100 Па. Таким образом, в результате специального подбора парциальных давлений гелия и неона, при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населённостей между выбранными уровнями неона, и лазер работает в непрерывном режиме. Фотоны, вызывающие индуцированное излучение, появляются в активной среде за счет спонтанных переходов 35 - 2р(25 - 2р). Эти фотоны летят по всевозможным направлениям, но те, которые летят вдоль оси трубки, отражаются от зеркал оптического резонатора и, возвращаясь в среду, вызывают генерацию в направлении оси, а остальные поглощаются стенками трубки.

За счет множества подуровней 35, 25 и 2р газовый гелий - неоновый лазер может работать примерно на 30 длинах волн в инфракрасной (ИК) и видимой областях спектра. Многослойные диэлектрические покрытия зеркал позволяют создать необходимый коэффициент отражения для данной длины волны и возбудить тем самым генерацию на требуемой частоте. Излучаемый в работе лазер работает в видимом диапазоне на волне 6328 А (632,8 нм).

Основными характеристиками лазера, определяемыми в данной работе, являются угловая расходимость пучка лазерного излучения, выходная мощность (световой поток) лазера - энергия, излучаемая им в единицу времени, число фотонов, излучаемых лазером в единицу времени, зависимость светового потока от величины разрядного тока. Ток разряда является важнейшей характеристикой работы лазера. При его увеличении растет концентрация электронов, следовательно, интенсивнее заселяются энергетические уровни 35 и 2р неона, и выходная мощность лазера растет. Но при очень большом токе разряда начинает интенсивно заселяться и уровень 2р, что приводит к уменьшению инверсии населенностей и, как следствие, к уменьшению мощности излучения вплоть до срыва генерации.

Порядок выполнения рабготы:

1) Включить лазер тумблером «СЕТЬ».

2) Определить расходимость «α» лазерного пучка по формуле (77.3). Для этого на выходе пучка и на расстоянии L от лазера определить диаметры пучка ( d₁ - на выходе,d - на расстоянии)

Ah – лазер; α - расходимость пучка; d1 – диаметр пучка на выходе; d – диаметр пучка на расстоянии от лазера.

Рисунок 77.6

На рисунке ; ; α= (77.3)

3) Повторить операции пункта 2 на нескольких расстояниях h от лазера. Данные занести в таблицу и обработать результаты методом расчета погрешностей прямых измерений.

«α» в радианах перевести в угловые минуты, 1 рад = 57,3.

4) Определить световой поток лазера путем измерения освещенности Е и диаметра d лазерного пучка на расстоянии L от лазера по формуле (77.2).

5) Правила пользования люксметром: на светочувствительную пластинку люксметра падает световой поток, и, если пластинка освещена полностью, прибор показывает истинное значение освещенности. Если световой поток засвечивает не всю площадь пластинки, то показание люксметра (пропорциональное площади) во столько раз меньше истинной освещенности, во сколько раз площадь пластинки Sпл больше освещаемой площади.

Площадь, освещаемая лазером, существенно меньше Sпл, поэтому для правильного измерения освещенности светочувствительная пластинка закрыта черной бумагой с отверстием, площадь которого Sотв меньше площади, освещаемой лазером. В этом случае освещенность, даваемая лазером и дневным светом (фон), будет определяться в одинаковых условиях. Рабочей формулой, определяющей световой поток, будет выражение

Ф=(Елаз-Ефон)* *Sлаз=(Елаз-Ефон)* Sпл* (77.4),

где Е_лаз – показания люксметра в пучке лазера; Е_фон – показания люксметра в дневном свете; d_лаз – диаметр лазерного пучка на расстоянии L от лазера; d_отв – диаметр отверстия в черной бумаге.

6) Используя формулу (77.4), повторить измерения Ф на разных расстояниях L от лазера. Данные занести в таблицу и обработать результаты методом расчёта погрешностей прямых измерений. По формуле (77.5) перевести световую единицу измерения Ф(лм) в энергетическую-(Вт). Для наблюдения длины волны

Ф(Вт)=Ф(лм)/100 (77.5)

7) По среднему значению светового потока <Ф> рассчитать число фотонов n, испускаемых лазером в единицу времени. Так как. Ф=nhν, то n=Ф/hν=Фλ/hс, где hν - энергия одного фотона; λ - длина волны излучения лазера, λ=632,8 нм; с- скорость света, с=3*10⁸м/с; h- постоянная Планка, h=6,63*10^-34Джс.

Таблица 77.1

№	D1,м	H,м	d,м	α,рад	∆α,рад	Ефон,лк	Елаз,лк	Ф,лм	∆Ф,лм	Ф,Вт	n,с-1
Ср.

8) Записать результаты α, Ф и n с учетом полученных погрешностей.

Меры безопасности

1) Лазерное излучение опасно для глаза. Не смотреть навстречу лучу!

2) Газоразрядная трубка работает под напряжением 6 кВ. Не вскрывать кожух лазера!