4. Z modové struktury emisního spektra laseru určete délku aktivní oblasti rezonátoru. Diskutujte,

Transkript

1 1 Pracovní úkol 1. Změřte současně světelnou i voltampérovou charakteristiku polovodičového laseru. Naměřené závislosti zpracujte graficky. Stanovte prahový proud i Pomocí Hg výbojky okalibrujte stupnici monochromátoru SPM Změřte emisní spektrum polovodičového laseru při několika hodnotách proudu laserem pod a nad odhadnutou prahovou hodnotou i 0. Určete vlnovou délku stimulované emise a kvalitativně diskutujte změny ve spektrech provázející změnu napájecího proudu. 4. Z modové struktury emisního spektra laseru určete délku aktivní oblasti rezonátoru. Diskutujte, proč je volena velmi úzká štěrbina monochromátoru. 5. Určete výkonovou účinnost laseru pro vybranou hodnotu proudu v nadprahové oblasti. 2 Teoretický úvod Polovodičový laser (laserová dioda) je čerpán elektrickým proudem procházejícím PN přechodem v propustném směru. Při překročení tzv. prahového proudu i 0 začne docházet k stimulované emisi. PN přechod je součástí krystalu, jehož stěny mají vysokou odrazivost a tedy tvoří rezonátor. Uvnitř vzniká stojaté vlnění, pro vzdálenost dvou sousedních modů platí dle [1] λ = kde L je délka rezonátoru a N g je grupový index lomu prostředí. Výkonová účinnost laseru η je definována jako λ2 2LN g (1) kde Φ e je zářivý tok laseru při příkonu P. 3 Měření η = Φ e P (2) Použitý voltmetr byl UNI-T UT803, ampérmetr byl G a galvanometr MG 5. VA a světelná charakteristika byly měřeny v zapojení uvedeném v [1]. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce v příloze A, grafické znázornění charakteristik je na obrázcích 1, 2. Ze světelné charakteristiky je zřejmé, že měřená dioda není úplně ideální. Není možné z ní určit prahový proud. Kalibrace stupnice monochromátoru byla určena lineární regresí z čar nm (fialová), nm (modrá) a nm (zelená) rtut ové výbojky. Relevantní hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1, vlnové délky spektrálních čar byly převzaty z tabulky u úlohy. Výsledný převodní vztah mezi hodnotou na stupnici x a vlnovou délkou je λ(x) = (53.04 ± 0.05)x (529.6 ± 0.9)nm (3) Dále bylo změřeno spektrum laseru pro různé napájecí proudy, šířka štěrbiny monochromátoru byla d = 0.4mm. Naměřená spektra jsou znázorněna na obrázku 4. Prahový proud je možno pouze hrubě odhadnout ze spektrálních charakteristik, i 0 = (100 ± 10)mA. Vlnová délka stimulované emise je přibližně λ = (813 ± 1)nm. Nakonec byla změřena modová struktura laseru, šířka štěrbiny monochromátoru byla d = 0.06mm, napájecí proud byl i = 110mA. Modová struktura je znázorněna na obrázku 5. Z něj lze určit λ = = 0.30nm. Grupový index aktivní oblasti laseru je podle [1] N g = 4.5 Po dosazení do rovnice 1 dostaneme délku rezonátoru L = (245 ± 3)µm. Výkonovou účinnost laseru určíme podle rovnice 2, světelný výkon udaný výrobcem je Φ e (115mA) = 0.5mW, příkon se určí z VA charakteristiky. Výkonová účinnost je tedy η = 0.2% 1

2 Obrázek 1: VA charakteristika laseru Obrázek 2: Světelná charakteristika laseru 2

3 Obrázek 3: Spektrum rtut ové výbojky λ [nm] x [d.] Tabulka 1: Hodnoty pro kalibraci stupnice monochromátoru 3

4 Obrázek 4: Spektrum laseru pro různé proudy Obrázek 5: Modová struktura laseru 4

5 4 Diskuze Ze světelné a spektrální charakteristiky je zřejmé, že laserová dioda není tak úplně laserová. Světelná charakteristika silně připomíná obyčejnou LED diodu, charakteristika laserové diody by měla mít téměř nulovou intenzitu až do prahového proudu, pak by měla růst lineárně. Spektrální charakteristika v nadprahové oblasti by měla být mnohem užší. Dle vyjádření vyučujícího je to způsobeno tím, že je dioda stará. Při měření modové struktury je potřeba zvolit velmi úzkou štěrbinu monochromátoru, nebot rozlišovací schopnost je tím vyšší, čím užší je štěrbina. Tím ale znatelně klesne intenzita světla dopadající na fotonásobič, tudíž je potřeba signál zesílit. 5 Závěr VA charakteristika je na obrázku 1. Světelná charakteristika je na obrázku 2. Převodní vztah mezi vlnovou délkou a údajem na stupnici monochromátoru x je λ(x) = (53.04 ± 0.05)x (529.6 ± 0.9)nm Prahový proud je přibližně i 0 = (100 ± 10)mA. Vlnová délka stimulované emise je přibližně λ = (813 ± 1)nm. Délka rezonátoru je L = (245 ± 3)µm Literatura [1] Pokyny k měření pdf [2] Studijní text k úloze pdf 5