рировать электрический ток. Это свойство может быть использовано для нахождения ширины запрещённой зоны материала, из которого изготовлен фотопреобразователь.
2. Описание установки и метода измерений
Схема установки представлена на рис. 3. Осветитель 1 посылает пучок света на входную щель спектрального прибора ИСП-51 2. С помощью призмы прибор разлагает белый свет в спектр. Ручкой барабана 3, вращающего призму, на пластину с щелью 4, на которой под футляром укреплён кремниевый фотодиод, можно вывести тот или иной участок спектра. Выводы фотодиода подключены к микроамперметру 5.
Кремниевый фотодиод – это приёмник излучения, чувствительной элемент которого содержит p-n-переход, т. е. область контакта кремния p-типа, в котором за счёт добавления специальных примесей основными носителями заряда являются дырки, неосновными – электроны, и кремния n-типа, в котором за счёт примесей основными носителями заряда являются электроны, а неосновными –дырки.
1 2
ИСП-51
3
4
5
Рис. 3
Метод измерения состоит в том, что, освещая фотодиод светом разных длин волн (длина волны может быть определена по делениям барабана и приложенному к установке градуировочному графику), снимают зависимость тока фотодиода от длины волны. Найдя наибольшую длину волны (наименьшую частоту), при которой фотодиод ещё генерирует ток, принимают её за красную границу внутреннего фотоэффекта λ0. Когда красная граница найдена, ширина запрещённой зоны рассчитывается по формуле
(1).
3. Порядок выполнения работы
Установка настроена, и поэтому не следует трогать осветитель и не перечисленные ниже органы регулировки. Если при выполнении каких-либо пунктов возникают затруднения, то следует обратиться к преподавателю или лаборанту.
1.Вращая ручку барабана 3, снять зависимость тока фотодиода от показаний шкалы барабана (не реже, чем через 0,5 дел.). Занести результаты измерения в табл. 1. Туда же записать длины волн, пользуясь приложенным градуировочным графиком.
2.Показав полученные результаты преподавателю и получив его разрешение, переключить шунт микроамперметра на предел 1000 и выключить напряжение 220 В.
Таблица 1 |
|||
№ п/п |
φ |
λ, мкм |
I, дел. |
4. Обработка результатов измерений
1.Пользуясь таблицей 1, построить график зависимости тока, протекающего через микроамперметр, от длины волны падающего света.
2.В области длинных волн продолжить график до пересечения с осью абсцисс и найти таким образом красную границу внутреннего фотоэффекта λ0.
3.Рассчитать частоту, соответствующую красной границе внутреннего фотоэффекта,
по формуле ω0 = 2рc и по формуле (1) найти ширину запрещённой зоны кремния.
λ0
4. Найти погрешность ∆λ0 и ∆ω0 и представить результаты измерений в виде
λ0 = λ0 ± ∆λ0 , ω0 =ω0 ± ∆ω0 .
Лабораторная работа № 29
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Цель работы: ознакомление с устройством и работой гелий-неонового лазера; изучение свойств лазерного излучения (линейная поляризация, высокие монохроматичность, направленность и энергетическая яркость излучения).
1. Введение
Активным элементом лазера является газоразрядная трубка 1 (рис. 1) со смесью гелия (парциальное давление 1 мм рт. ст.) и неона (0,1 мм рт. ст.). В гелий-неоновом лазере переходы, соответствующие лазерному излучению, осуществляются между возбуждёнными состояниями атомов неона (Ne); гелий (He) играет роль вспомогательного газа.
Рис. 1
В электрическом разряде, возникающем между катодом и анодом, часть атомов Ne при соударениях с электронами переходят с основного уровня E1 на возбужденные уровни E4 и E6 (рис. 2). Так как время жизни атома на уровнях E4 и E6 на порядок превышает время жизни на уровнях E3 и E5, то имеется принципиальная возможность создания инверсной населенности уровня E6 по отношению к уровням E3 и E5 и уровня E4 по отношению к уровню E3. Для создания инверсии и ее поддержания необходимо эффективное заселение верхних уровней (E4 и E6) и быстрое освобождение нижних (E3 и E5). Нижние уровни могут быстро расселяться только путём ухода возбуждённых атомов Ne на уровень E2. Однако уровень E2 метастабилен и может расселяться только за счёт соударений атома со стенками газоразрядной трубки. Это затрудняет расселение уровней E3 и E5, а, значит, и создание инверсии в чистом неоне. Введение в неон при-
гократное прохождение луча через активную среду. Интенсивность вынужденного излучения при этом лавинообразно нарастает.
Оптимальные условия генерации излучения обеспечиваются в том случае, когда на длине резонатора укладывается целое число длин полуволн генерируемого излучения. Высокая спектральная селективность коэффициентов отражения зеркал резонатора при многократном отражении от них излучения позволяет обеспечить его высокую монохроматичность. Излучение, идущее под углом к оси резонатора, проходит малый путь в активной среде и выходит через боковую поверхность газоразрядной трубки, что обеспечивает высокую направленность излучения лазера. Расходимость светового пучка минимальна и определяется практически только дифракцией, обусловленной конечным размером поперечного сечения пучка.
р
Рис. 3
Вынужденное излучение усиливается активной средой до такого уровня, при котором суммарные потери энергии излучения (при отражении от зеркал, частичном выходе через одно из них, при рассеянии в активной среде и т. д.) не станут равны его усилению в активной среде. После этого устанавливается стационарный режим с определенной интенсивностью излучения.
2. Описание установки и метода измерений
Установка, на которой проводятся все измерения, схематически изображена на рис. 4.
Рис. 4
На оптической скамье расположены: лазер 1, анализатор 2, фотоприёмник 3, соединенный с токоизмерительным прибором, дифракционная решетка 4, экран 5. Все приборы прикрыты дымчатой шторкой, которая откидывается вверх и имеет систему блокировки во избежание попадания лазерного излучения в глаза. Лазер соединён с блоком питания 6.
Излучение лазера попадает на фотоприёмник, соединённый с микроамперметром, который измеряет силу фототока. Сила фототока пропорциональна интенсивности света, прошедшего через анализатор.
Все включения и выключения лазера производятся только преподавателем или лаборантом.
4. Порядок выполнения работы
Определение положения плоскости поляризации излучения лазера
1.Включить лазер, нажав кнопку "СЕТЬ" на блоке питания.
2.Установить поворотное устройство анализатора на начало отсчёта. При этом плоскость пропускания анализатором линейно поляризованного лазерного излучения (главная плоскость анализатора) примет горизонтальное положение. Измерить силу фототока по микроамперметру, соединённому с фотоприёмником, и записать в табл. 1 (таблица должна быть рассчитана на 23-24 измерения). Поворачивая главную плоскость анализатора против часовой стрелки (если смотреть вслед лучу) с интервалами в 15° в пределах от 0° до 360°, произвести соответствующие измерения фототока.
Таблица 1
Угол поворота анализатора, ° Сила фототока, мА