Определение радиуса кривизны линзы с помощью явления интерференции

Прямое включение p-n перехода вызывает инжекцию электронов. Уникальным явлением при этом оказывается свойство высокоинжектированных электронов оставаться (накапливаться) некоторое время на своих энергоуровнях, если для этого создать надлежащие условия. Такие энергоуровни называются метастабильными, а само явление носит название инверсии населенностей энергетических уровней в полупроводнике, связанной с инжекцией заряда в p-n переходе. Полупроводник, его атомы, оказывается в возбужденном состоянии.

Область, где происходит излучательная рекомбинация, ограничивается конструктивными размерами резонатора и технологическими возможностями его реализации (S » 0.5…2 мкм, l » 300…500 мкм). Устройство показано на рис.4.

В качестве активного вещества используется арсенид галлия. Две параллельные грани кристалла, перпендикулярные плоскости p-n перехода, тщательно полируются. Они образуют зеркала резонатора. Две другие скошены по отношению к плоскости p-n перехода, в этом направлении условия самовозбуждения стимулированного когерентного излучения не выполняются.

Стимулированное излучение и резкий рост выходной оптической мощности соответствует инжекционному току p-n перехода , где = 50 – 150 мА. Если ток инжекции лазера меньше , то наблюдается спонтанное излучение, как и в обычном диоде.

Пространственное излучение лазера имеет форму, близкую к игле. Угол расхождения луча стимулированного когерентного излучения составляет не более нескольких угловых минут и зависит от параллельности зеркал резонатора.

Полупроводниковый лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Энергия и длина волны определяется свойствами вещества и геометрией резонатора.

Благодаря высокой степени когерентности лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования интерференционных и дифракционных явлений, наблюдение которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры. Многочисленные варианты нашли весьма разнообразные применения в биологических исследованиях, в системах лазерной связи, в голографии, машиностроении и многих других областях естествознания и техники.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности:

1.  К самостоятельному выполнению лабораторных работ студент может приступить после прохождения инструктажа по проведению лабораторных работ и усвоения безопасных методов их выполнения.

2.  Перед выполнением работы необходимо тщательно изучить описание лабораторной работы.

3.  Работы следует выполнять на исправных приборах и установках.

4.  Измерительные приборы и инструмент разрешается использовать только по их прямому назначению.

5.  Запрещается самостоятельно включать и выключать лазерные установки, а также вынимать и юстировать те элементы оптических схем, которые не имеют непосредственного отношения к выполнению работы.

6.  Не допускать прямого попадания лазерного излучения в глаза.

ПРАВИЛА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1.  Данные измерений и расчетов следует записывать четко и кратко в заранее подготовленные таблицы.

2.  Точность измерений и расчетов должна соответствовать цели опыта.

3.  В каждом опыте нужно устранить возможные систематические погрешности, оценивать случайные погрешности и точность результатов измерений.

4.  Результаты каждого эксперимента необходимо проанализировать и сделать выводы.

Литература

При подготовке к выполнению лабораторных работ полезно под рукой иметь следующие учебные пособия:

1.  Савельев И. В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1989. – Т.2.

2.  Ландсберг Г. О. Оптика. – М.: Наука, 1976.

3.  Валенко В. С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств.

4.  Методические указания к обработке результатов лабораторных измерений.

5.  Гришкевич А. Е., Хоменко Т. Н. Оптика: Методические указания к выполнению лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

Определение радиуса кривизны линзы с помощью явления интерференции

Цель работы: изучение явления интерференции на примере колец равной толщины и определение радиуса кривизны линзы интерференционным методом.

Оборудование: лазер, поворотные зеркала, плоско-выпуклая линза, экран с координатной сеткой (шаг сетки 2 мм).

Описание метода измерения.

При наложении двух или нескольких световых пучков наблюдается усиление света в одних точках пространства и ослабление в других. Это явление называется интерференцией света. Устойчивую интерференционную картину могут давать только когерентные волны, т. е. такие, которые имеют одинаковую частоту и постоянную разности фаз. Для получения контрастной интерференционной картины необходимо также, чтобы интенсивности волн были соизмеримы и плоскости колебаний вектора напряженности электрического поля Е совпадали.

Один из методов получения когерентных волн основан на разделении на две части волны, излучаемой одним источником. Эти волны до попадания в заданную точку пространства проходят различные расстояния (или одинаковые расстояния в средах с различными показателями преломления). Между ними возникает постоянная разность фаз, вследствие чего получается интерференционная картина. Рис. 1.

Если разность фаз в данной точке пространства равна 2m, где m — целое число, то в этом месте происходит усиление колебаний (максимум освещенности), если же разность фаз равна (2m+1), то будет наблюдаться ослабление колебаний (минимум освещенности).

Оптической разностью хода двух световых лучей называется величина y = l1n1 – l2n2, где l1 l2 — геометрические пути, которые проходят первый и второй лучи в средах с показателями преломления n1 и n2 соответственно.

Оптическая разность хода y связана с разностью фаз соотношением

y = , (1)

что позволяет получить условия максимума и минимума в виде

y = m, (2)