1 1 Pracovní úkol 1. Změřte současně světelnou i voltampérovou charakteristiku polovodičového laseru. Naměřené závislosti zpracujte graficky. Stanovte...
Pracovn´ı u ´ kol 1. Zmˇeˇrte souˇcasnˇe svˇetelnou i voltamp´erovou charakteristiku polovodiˇcov´eho laseru. Namˇeˇren´e z´ avislosti zpracujte graficky. Stanovte prahov´ y proud i0 . 2. Pomoc´ı Hg v´ ybojky okalibrujte stupnici monochrom´atoru SPM 2. 3. Zmˇeˇrte emisn´ı spektrum polovodiˇcov´eho laseru pˇri nˇekolika hodnot´ach proudu laserem pod a nad odhadnutou prahovou hodnotou i0 . Urˇcete vlnovou d´elku stimulovan´e emise a kvalitativnˇe diskutujte zmˇeny ve spektrech prov´azej´ıc´ı zmˇenu nap´ajec´ıho proudu. 4. Z modov´e struktury emisn´ıho spektra laseru urˇcete d´elku aktivn´ı oblasti rezon´atoru. Diskutujte, proˇc je volena velmi u ´zk´ a ˇstˇerbina monochrom´atoru. 5. Urˇcete v´ ykonovou u ´ˇcinnost laseru pro vybranou hodnotu proudu v nadprahov´e oblasti.
2
Teoretick´ yu ´ vod
Polovodiˇcov´ y laser (laserov´ a dioda) je ˇcerp´an elektrick´ ym proudem proch´azej´ıc´ım PN pˇrechodem v propustn´em smˇeru. Pˇri pˇrekroˇcen´ı tzv. prahov´eho proudu i0 zaˇcne doch´azet k stimulovan´e emisi. PN pˇrechod je souˇc´ ast´ı krystalu, jehoˇz stˇeny maj´ı vysokou odrazivost a tedy tvoˇr´ı rezon´ator. Uvnitˇr vznik´ a stojat´e vlnˇen´ı, pro vzd´ alenost dvou sousedn´ıch mod˚ u plat´ı dle [1] ∆λ =
λ2 2LNg
(1)
kde L je d´elka rezon´ atoru a Ng je grupov´ y index lomu prostˇred´ı. V´ ykonov´ au ´ˇcinnost laseru η je definov´ana jako η=
Φe P
(2)
kde Φe je z´ aˇriv´ y tok laseru pˇri pˇr´ıkonu P .
3
Mˇ eˇ ren´ı
Pouˇzit´ y voltmetr byl UNI-T UT803, amp´ermetr byl G-1002.500 a galvanometr MG 5. VA a svˇeteln´ a charakteristika byly mˇeˇreny v zapojen´ı uveden´em v [1]. Namˇeˇren´e hodnoty jsou uvedeny v tabulce v pˇr´ıloze A, grafick´e zn´azornˇen´ı charakteristik je na obr´azc´ıch 1, 2. Ze svˇeteln´e charakteristiky je zˇrejm´e, ˇze mˇeˇren´a dioda nen´ı u ´plnˇe ide´aln´ı. Nen´ı moˇzn´e z n´ı urˇcit prahov´ y proud. Kalibrace stupnice monochrom´ atoru byla urˇcena line´arn´ı regres´ı z ˇcar 404.7 nm (fialov´a), 435.8 nm (modr´ a) a 546.1 nm (zelen´ a) rtut’ov´e v´ ybojky. Relevantn´ı hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1, vlnov´e d´elky spektr´ aln´ıch ˇcar byly pˇrevzaty z tabulky u u ´lohy. V´ ysledn´ y pˇrevodn´ı vztah mezi hodnotou na stupnici x a vlnovou d´elkou je λ(x) = (53.04 ± 0.05)x − (529.6 ± 0.9)nm
(3)
D´ ale bylo zmˇeˇreno spektrum laseru pro r˚ uzn´e nap´ajec´ı proudy, ˇs´ıˇrka ˇstˇerbiny monochrom´atoru byla d = 0.4mm. Namˇeˇren´ a spektra jsou zn´azornˇena na obr´azku 4. Prahov´ y proud je moˇzno pouze hrubˇe odhadnout ze spektr´ aln´ıch charakteristik, i0 = (100 ± 10)mA. Vlnov´a d´elka stimulovan´e emise je pˇribliˇznˇe λ = (813 ± 1)nm. Nakonec byla zmˇeˇrena modov´ a struktura laseru, ˇs´ıˇrka ˇstˇerbiny monochrom´atoru byla d = 0.06mm, nap´ ajec´ı proud byl i = 110mA. Modov´a struktura je zn´azornˇena na obr´azku 5. Z nˇej lze = 0.30nm. Grupov´ y index aktivn´ı oblasti laseru je podle [1] Ng = 4.5 Po urˇcit ∆λ = 819.4−811.9 25 dosazen´ı do rovnice 1 dostaneme d´elku rezon´atoru L = (245 ± 3)µm. V´ ykonovou u ´ˇcinnost laseru urˇc´ıme podle rovnice 2, svˇeteln´ y v´ ykon udan´ y v´ yrobcem je Φe (115mA) = 0.5mW, pˇr´ıkon se urˇc´ı z VA charakteristiky. V´ ykonov´a u ´ˇcinnost je tedy η = 0.2% 1
Obr´ azek 1: VA charakteristika laseru
Obr´ azek 2: Svˇeteln´a charakteristika laseru
2
Obr´ azek 3: Spektrum rtut’ov´e v´ ybojky
λ [nm] 404.7 435.8 546.1
x [d.] 17.613 18.202 20.279
Tabulka 1: Hodnoty pro kalibraci stupnice monochrom´atoru
3
Obr´ azek 4: Spektrum laseru pro r˚ uzn´e proudy
Obr´ azek 5: Modov´a struktura laseru
4
4
Diskuze
Ze svˇeteln´e a spektr´ aln´ı charakteristiky je zˇrejm´e, ˇze laserov´a dioda nen´ı tak u ´plnˇe laserov´a. Svˇeteln´ a charakteristika silnˇe pˇripom´ın´a obyˇcejnou LED diodu, charakteristika laserov´e diody by mˇela m´ıt t´emˇeˇr nulovou intenzitu aˇz do prahov´eho proudu, pak by mˇela r˚ ust line´arnˇe. Spektr´aln´ı charakteristika v nadprahov´e oblasti by mˇela b´ yt mnohem uˇzˇs´ı. Dle vyj´adˇren´ı vyuˇcuj´ıc´ıho je to zp˚ usobeno t´ım, ˇze je dioda star´ a. Pˇri mˇeˇren´ı modov´e struktury je potˇreba zvolit velmi u ´zkou ˇstˇerbinu monochrom´atoru, nebot’ rozliˇsovac´ı schopnost je t´ım vyˇsˇs´ı, ˇc´ım uˇzˇs´ı je ˇstˇerbina. T´ım ale znatelnˇe klesne intenzita svˇetla dopadaj´ıc´ı na foton´ asobiˇc, tud´ıˇz je potˇreba sign´al zes´ılit.
5
Z´ avˇ er
VA charakteristika je na obr´ azku 1. Svˇeteln´ a charakteristika je na obr´ azku 2. Pˇrevodn´ı vztah mezi vlnovou d´elkou a u ´dajem na stupnici monochrom´atoru x je λ(x) = (53.04 ± 0.05)x − (529.6 ± 0.9)nm Prahov´ y proud je pˇribliˇznˇe i0 = (100 ± 10)mA. Vlnov´ a d´elka stimulovan´e emise je pˇribliˇznˇe λ = (813 ± 1)nm. D´elka rezon´ atoru je L = (245 ± 3)µm
Literatura [1] Pokyny k mˇ eˇ ren´ı http://physics.mff.cuni.cz/vyuka/zfp/mereni 315.pdf [2] Studijn´ı text k u ´ loze 15 http://physics.mff.cuni.cz/vyuka/zfp/txt 305.pdf
