«Полупроводниковые источники излучения: лазер – светодиод»

Программа

 Расписание Зимней учебной практики - 2009 будет вывешено позже!

Задачи

1. Измерить зависимость интенсивности полупроводникового источника излучения от тока через p-n переход.

2. Измерить зависимость степени линейной поляризации излучения полупроводникового источника излучения от тока через p-n переход.

3. Измерить профиль пучка в режиме лазерной генерации.

4. Оценить расходимость пучка излучения в режиме лазерной генерации.
    

Отчет о практике

1. Описание экспериментального стенда.

2. Обработка экспериментальных данных.

3. Краткие выводы о проделанной работе.

4. «Эссе» на тему одного из терминов, приведенных в глоссарии.

Глоссарий

1.  Длина волны излучения – наименьшее расстояние между двумя точками, в которых электромагнитная волна находится в одинаковой фазе колебания.

2. Когерентная волна - электромагнитная волна, у которой начальная фаза не изменяется во время ее распространения.

3. Лазер – источник монохроматического излучения в оптическом диапазоне длин волн.

4. Линейная поляризация электромагнитной волны – состояние электромагнитной волны, при котором вектора напряженности электрического поля колеблются строго параллельно друг другу во всех точках поля.

5. Некогерентная волна - электромагнитная волна, у которой начальная фаза не постоянна и ее разность фаз в двух любых точках пространства изменяется.

6. Оптическое излучение – электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,1 нм до 1000·10⁴ нм.

7. p-n переход – граница соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости (p и n проводимости).

8. Полупроводники – вещества, у которых удельная электропроводность изменяется в широких пределах. При малых значениях электрические свойства полупроводника приближаются к свойствам диэлектрика, при больших – к свойствам проводника (металла).

9. Светодиод – полупроводниковое устройство, преобразующее энергию электрического тока в световую энергию.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка, принципиальная блок-схема которой приведена на рис.1, состоит из узла источника излучения с полупроводниковым лазером (ПЛ), узла приемника излучения (ПИ), поляризационного светофильтра (ПС) и измерительных приборов (мультиметры – М₁ и М₂).

Установка смонтирована на оптическом рельсе. Каждый узел (узел источника излучения и узел приемника излучения) установлен в стойке и закреплен на рейтере. Узлы расположены на оптическом рельсе, который определяет оптическую ось системы. Поляризационный светофильтр может быть отдельным элементом на рельсе (узел ПС - светофильтр в специальной оправе установлен на в отдельном рейтере) или совмещенным с узлом приемника излучения (светофильтр смонтирован в форме насадки на входное окно фотоприемника). В качестве измерительных приборов используются мультиметры, с помощью которых в работе производится измерение напряжения (U), тока (I) и сопротивления (R).

Измерение потока излучения производится с помощью приемника излучения (5), представляющего собой фотодиод ФД-24, соединенный с измерительным прибором (мультиметром). Так как фотодиод работает в фотогальваническом режиме, поток излучения прямо пропорционален току фотоприемника (фототоку) и измеряется по токовой шкале мультиметра в мкА.

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки.

ПЛ - полупроводниковый лазер

ПС – поляризационный светофильтр

ПИ - приемник излучения

М₁ и М₂ - измерительные приборы (мультиметры)

Узел источника излучения включает полупроводниковый лазерный модуль, подключенный к источнику электропитания. Принципиальная электрическая схема установки для исследования излучения полупроводникового лазера представлена на рис.2. Лазер включается тумблером Т. Напряжение от источника питания (лабораторная сеть электропитания 4,5 В или батарея аккумуляторов 4,8 В) через сопротивления R₁ и R_П подается на лазерный модуль, при этом через p-n переход протекает ток I_pn, регулировка которого осуществляется потенциометром R_П.

Рис. 2. Электрическая схема установки для исследования зависимости интенсивности излучения полупроводникового лазера от величины тока, протекающего через p-n переход:

ПЛ – полупроводниковый лазер

ПИ – приёмник излучения

ИП – источник питания постоянного тока 4,5 В

R₁ – постоянное сопротивления

R_п - переменное сопротивление

Т  – тумблер для включения и выключения питания лазера

V –  вольтметр (мультиметр)

А –  амперметр (мультиметр)

Исследование зависимости интенсивности лазерного излучения от величины тока, протекающего через p-n переход

Величина тока протекающего через p-n переход измеряется косвенным образом: вольтметром V₁ (шкала V на мультиметре М₁) измеряется падение напряжения на резисторе R₁ (U_ПЛ), включенного последовательно с p-n переходом, а значение I_pn вычисляется по закону Ома. Регулировка I_pn производится потенциометром R_П (переменное сопротивление),

Узел фотоприемника снабжен фотодиодом ФД-24К, который работает в фотогальваническом режиме. Под воздействием светового потока, падающего на входное окно фотоприемника, возникает фотоэдс, и в замкнутой цепи течет ток, величина которого измеряется мультиметром М₂ по шкале тока (I_ПИ). В данных условиях эксперимента величина I_ПИ прямо пропорциональна интенсивности лазерного излучения (потоку излучения). Типичная зависимость интенсивности лазерного излучения от величины тока, протекающего через p-n переход, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость интенсивности излучения лазера (потока излучения) от тока, протекающего через p-n переход. I_пор. – величина порогового тока.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить лазер, переключив тумблер Т в положение «Вкл».

2. Поставить перед фотоприемником вспомогательный экран (лист белого картона) для наблюдения пятна и структуры лазерного пучка.

3. Изменяя сопротивление R_П (ручка регулировки расположена на верхней поверхности блока лазера), проследить, как изменяется форма пятна и его интенсивность при изменении тока через p-n переход.

4. Включить измерительные приборы М₁ и М₂ и установить необходимые режимы (М₁ на измерение напряжения и М₂ на измерение тока).

5. Отъюстировать оптическую систему таким образом, чтобы лазерный пучок попадал в центр входного окна приемника излучения.

6. Изменяя ток через p-n переход потенциометром R_П снять показания прибора М₁ (U_ПЛ) и показания прибора М₂ (I_ПИ) для 15-20 точек в максимально возможном интервале значений. Данные заносить в таблицу 1.

7. Выключить лазер, переключив тумблер «Т» в положение «Выкл».

8. Измерить значение R₁, необходимое для проведения расчетов.

9. Данные показать преподавателю

Таблица 1. Экспериментальные данные для построения зависимости интенсивности излучения лазера от тока, протекающего через p-n переход.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.   Рассчитать величину тока через p-n переход для каждого значения U_ПЛ , используя закон Ома:

I_pn = U_ПЛ/ R₁                     (1)

Результаты вычислений занести в таблицу 1.

2.   Построить график зависимости I_ПИ от I_pn.

3.   Определить величину порогового тока – I_пор

4.   Определить коэффициенты (k_св и k_лаз), характеризующие изменение интенсивности излучения в светодиодном и лазерном режимах работы модуля, используя аппроксимацию каждого режима прямой линией

I_ФП = k I_pn                        (2)

где k – коэффициент.

 5. Сравнить полученные результаты.

Исследование зависимости степени поляризации излучения

от величины тока, протекающего через p-n переход

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Поляризационные свойства излучения являются одной из важных характеристик лазера и в полупроводниковых источниках излучения тесно связаны с величиной тока, протекающего через p-n переход. Как известно из литературных данных излучение полупроводниковых источников частично поляризовано, его можно представить совокупность естественного и линейно поляризованного излучения. Таким образом, можно считать, что исследуемое в работе излучение содержит две основные компоненты, одна из которых полностью линейно поляризована, а вторая - неполяризована и не имеет постоянного соотношения фаз с линейно поляризованной компонентой. В этом случае степень поляризации излучения (Р) можно определить, используя следующую формулу:

Р = I_лин / I_полн.,                  (3)

где: I_лин - интенсивность линейно поляризованной компоненты излучения,

I_полн. - полная интенсивность излучения.

При проведении данного этапа работы необходимо использовать поляризационный светофильтр (ПС), который представляет собой анализатор поляризационных компонент излучения. При повороте ПС вокруг оптической оси происходит изменение интенсивности излучения, прошедшего ПС, которое регистрирует прибор М₂. При этом степень поляризации излучения можно определить по формуле:

P = (I_мах - I_мin) / I_мах ,        (4)

где I_мах и I_мin соответствуют максимальному и минимальному значению интенсивности излучения, прошедшего ПС, при повороте ПС вокруг оптической оси. В этом случае (I_мах - I_мin ) определяет интенсивность линейно поляризованной компоненты излучения, I_мin - интенсивность неполяризованной компоненты (ее интенсивность не изменяется при повороте ПС относительно оптической оси), а I_мах – полную интенсивность излучения, прошедшего поляризационный светофильтр.

Для получения зависимости степени поляризации излучения исследуемого лазерного модуля от тока через переход необходимо заполнить таблицу 2.

1. Установить поляризационный светофильтр на оптической оси системы

2. Установить максимальное значение интенсивности излучения лазера

3. Измерить U_ПЛ, данные занести в таблицу 2.

4. Медленно вращая поляризационный светофильтр, определите величину максимальной интенсивности излучения, прошедшего ПС (I_мах), и минимальной интенсивности излучения (I_мin). Данные занести в таблицу 2.

5. Изменяя интенсивность излучения, провести измерения по п.п.2-4 для 8-10 значений тока через p-n переход (I_pn) в светодиодном и лазерном режимах работы модуля.

6. Выключить лазер, переключив тумблер «Т» в положение «Выкл».

7. Измерить значение R₁, необходимое для проведения расчетов.

8. Данные показать преподавателю

Таблица 2. Экспериментальные данные для получения зависимости степени линейной поляризации (P) от тока через p-n переход.

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Рассчитать значения I_pn и Р, заполнив таблицу 2.

2. По полученным данным построить график зависимости P от I_pn.

3. Проанализировать полученные результаты.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

«Оценка расходимости пучка лазерного излучения»

Экспериментальная установка

На рис.4а - приведена принципиальная оптическая схема установки для проведения измерений распределения интенсивности в лазерном пучке «методом ножа».

Рис. 4а. Схема установки для измерения распределения интенсивности в поперечном сечении пучка излучения полупроводникового лазера.

1 – полупроводниковый лазерный модуль,

2 – поворотный столик,

3 – микрометрический винт,

4 – «нож»,

5 – фотоприемник,

6 – вольтметр.

Рис. 4б. Устройство ножа

4-1 - лезвие ножа

4-2 - щелевая диафрагма, ограничивающая пучок по высоте

Нож» установлен на вращающемся столике, поворот которого вокруг оси вращения производится с помощью микрометрического винта (3). При этом лезвие ножа (4) также совершает движение по окружности. Движение ножа происходит по окружности радиуса порядка 40мм и длине дуги порядка 2мм, так что траекторию движения можно с большой точностью аппроксимировать прямой линией.

Данное устройство позволяет двигать лезвие ножа с большой точностью, недостижимой при использовании стандартных механических устройств, осуществляющих сдвиг по прямой линии. При повороте барабана микрометрического винта на одно деление (0,01 мм) столик поворачивается на угол 0,1 мрад. Линейный сдвиг ножа перпендикулярно оптической оси происходит при этом на расстояние Dl, которое зависит от положения ножа – r – относительно оси вращения столика.

Перед началом проведения эксперимента необходимо:

• измерить расстояние r,

• рассчитать Dl,

• оценить требуемый для эксперимента (для получения зависимости I_k(x)) диапазон изменения значений барабана МВ,

определить требуемый сдвиг барабана МВ между двумя измерениями при получении зависимости I_k (x).

Порядок проведения эксперимента

1. Установить режим работы источника излучения - ЛАЗЕР (ток через pn-соответствующий получению когерентного излучения).

2. Отъюстировать оптическую схему для проведения измерений при положении ножа «Y₁» вблизи выходного отверстия лазера.

3. Провести измерения значений I_k при изменении координаты х для получения зависимости I_k(x) при Y₁ .

4. Отъюстировать оптическую схему для проведения измерений при положении ножа «У₂», так чтобы расстояние Y₂ – Y₁ составляло величину 15-25 см (в соответствии с возможностями установки – длиной рельса).

5. Провести измерения значений I_k при изменении координаты х для получения зависимости I_k(x) при Y₂ .

6. Установить режим работы источника излучения - СВЕТОДИОД (ток через pn-соответствующий получению некогерентного излучения).

7. Провести измерения по п.п.2-5.

8. Показать данные преподавателю.

! Не забудьте записать номер установки, тип лазера и его номер (если имеется).

Обработка экспериментальных данных

Для режима ЛАЗЕР:

1. Построить зависимость I_k(x) при «Y₁»

2. Получить зависимость I(x) при «Y₁», продифференцировав I_k(x).

3. Построить зависимость I_k(x) при «Y₂»

4. Получить зависимость I(x) при «Y₂», продифференцировав I_k(x).

5. Оценить расходимость когерентного пучка излучения.

Для режима СВЕТОДИОД:

1. Построить зависимость I_k(x) при «Y₁»

2. Получить зависимость I(x) при «Y₁», продифференцировав I_k(x).

3. Построить зависимость I_k(x) при «Y₂»

4. Получить зависимость I(x) при «Y₂», продифференцировав I_k(x).

5. Оценить расходимость некогерентного пучка излучения.

6. Сравнить расходимость излучения при различных режимах работы лазера.

Важным компонентом профориентационных занятий является ежегодная летняя учебная практика 10^х классов.

Учебная практика десятиклассников включает три основных этапа:

●  Лекционный курс «Основы оптоинформатики» для школьников

●  Выполнение учебно-исследовательских работ под руководством квалифицированных преподавателей

●   Подготовка отчета-презентации по выполненной работе и выступление на заключительной конференции

Темы учебно-исследовательских работ:

●   Основные характеристики полупроводникового лазера

●   Изобразительная голография

●   Оптическое волокно и световой жгут

●   Основные характеристики объемных голограмм

Расписание работы «Летней учебной практики – 2009» будет вывешено позже!