МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

^{«Северо-Кавказский государственный технический университет»}

^{Кафедра «НТМЭТ»}

Лабораторная работа №2

«ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДИМОСТИ И ШИРИНЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИЙ ГАЗОВОГО И ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРОВ»

Выполнил студент 3 курса группы ХМ-091

Редькин А. П.

Преподаватель: Штаб А.В.

Ставрополь, 2012 г.

1. Цель и содержание: Исследовать параметры газовых и полупроводниковых лазеров.

2. Теоретическое обоснование: Наиболее широко распространенным из газовых лазеров является гелий-неоновый лазер. По своему устройству он представляет заполненную смесью гелия и неона газоразрядную трубку, помещенную внутри оптического резонатора. Для уменьшения величины внутренних потерь резонатора окна разрядной трубки устанавливаются под углом Брюстера. В трубке возбуждается газовый разряд. Рабочим газом служит неон. Гелий является буферным газом, который легко переходит в возбужденное состояние и передает свою энергию возбуждения неону путем столкновений. Самое нижнее основное состояние атома гелия – 1S₀ состояние. С помощью ступенчатого электронного возбуждения атом гелия переходит из основного состояния в возбужденное 2S2 или 3S2 и передает свою энергию неону, который переходит в возбужденное состояние 2S2 или 3S2. Между этими возбужденными уровнями и уровнями 3p, 2р и 1s возникает инверсная населенность, и в связи с этим может возникать излучение лазера как в инфракрасной, так и в красных областях спектра.

Специально изготовленные светодиоды могут излучать когерентный свет. Для этого необходимо создать в активном слое структуры инверсную населенность, т. е. осуществить сильное заполнение электронами возбужденных уровней. В этом случае излучение, возникшее при первых рекомбинациях электронов и дырок, вызывает вынужденные переходы других электронов на нижние энергетические уровни, причем возникающее излучение имеет строго ту же частоту, направление и плоскость поляризации, что и первоначальное. Если свет имеет возможность многократно пройти область инверсной населенности, то возникает интенсивное вынужденное излучение. С этой целью применяют отражающие поверхности на противоположных гранях образца, в пространство между которыми образуются стоячие световые волны. Зеркалами могут служить грани кристалла, полученные при скалывании краев образца.

Для изготовления лазеров используют полупроводники с прямыми зонами, например, GaAs или GaAlAs, в которых возможны межзонные переходы. Создание инверсной населенности происходит при интенсивной инжекции неосновных носителей, что легче достигается в гетеропереходах. Усиление света происходит вдоль направлений, перпендикулярных поверхности зеркал, поэтому из области перехода через полупрозрачную отражающую поверхность выходит узкий луч определенного направления.

Лазерный эффект достигается при определенных пороговых значениях тока (1 кА/см²). Начиная с этих значений тока, спектральная полоса излучения значительно сужается. КПД инжекционных лазеров достигает 50%, инерционность составляет около 10'⁹с, напряжение питания - 3 В, а размеры - несколько миллиметров.

3. Аппаратура и материалы: Оборудование для эксперимента включает в себя монохроматор МДР - 23У_у фотоэлектронный умножитель ФЭУ-86, гелий-неоновый и полупроводниковый лазеры.

4. Методика и порядок выполнения работы: Измерить расходимость газового и полупроводникового лазеров и сравнить полученные данные теоретическими формулами. Изучить зависимость спектра излучения полупроводникового лазера от тока. Определить величину порогового Тока ' Для определения величины расходимости необходимо измерить диаметр лазерного пучка (рис. 4.1) на разных расстояниях от выходного зеркала и рассчитать угол расхождения лазерного излечения.

Рисунок 4.1 - Схема определения расходимости лазерного излучения

Рисунок 4.2 — Схема измерения ширины лазерного излучения:

1 - источник питания лазера; 2 - излучение лазера;

3 - монохроматор; 4 - фотоприемник.

Для измерения ширины спектральной линии собирают схему (рис 4.2), содержащую источник питания лазера 1, монохроматор 3, в который входит излучение лазера 2, и фотоприемник 4, помещенный на выходе монохроматора. Про фиксированном значении тока снимают спектр излучения лазера. При значении тока ниже порогового спектр излучения лазера представляет собой широкую линию невысокой интенсивности. При значениях тока выше порогового спектр излучения лазера представляет узкую линию высокой интенсивности.