VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование свойств полупроводникового лазера и изучение возможностей его использования

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Иванов А.А. 1

---

1Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение "Перемышльская средняя общеобразовательная школа"

Лобова Г.Н. 1

---

1МКОУ "Перемышльская СОШ"

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность темы:

Актуальность данной темы обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь. Значимость лазеров очень велика, а так как в будущем будут совершаться еще более значимые открытия, их роль будет только возрастать. Следовательно, лазеры и лазерные технологии – одна из самых перспективных направлений в науке. Можно уверенно утверждать, что внедрение и совершенствование лазерных технологий приведет к качественному изменению всего облика современного производства. Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. [1]

Цель: Провести исследование свойств и физических характеристик полупроводникового лазера.

Гипотеза: Полупроводниковый лазер – лазерная указка можно использовать в школьном физическом эксперимен­те в качестве источника света.

Задачи:

1. Исследовать физические свойства полупроводникового лазера.

2. Изучить возможности применения полупроводникового лазера на уроках физики и в жизни.

Человек никогда не хотел жить в темноте. Он изобрел много источников света: стеариновые свечи, газовые рожки, керосиновые лампы, лампы накаливания. Все эти источники света предназначались для освещения. В этом ряду появился еще один источник света – лазер.

«Появился луч. Он был тонок, как вязальная игла, ослепительно белый, и шел из купола башни, не расширяясь. Никому в ту минуту не приходило в голову, что перед нами самое страшное оружие, когда-либо выдуманное человечеством.

Луч описал петлю в воздухе и упал на носовую часть нашего пакетбота. Послышалось ужасающее шипение, вспыхнуло зеленоватое пламя разрезаемой стали». [2]

Описанный 60 лет назад волшебный луч, не знающий преград, завоевал воображение подростков и солидных инженеров.

Но потребовалось ещё немало лет. чтобы «гиперболоиды» перекочевали с фантастических страниц на научные.

Лишь в 1959 г. появилась первая статья, посвященная гиперболоидам. А спустя пять лет рабочие халаты их создателей – членов –корреспондентов АПН СССР А.М.Прохорова и Н.Г. Басова украсили знак лауреата Нобелевской премии.

Благодаря особым свойствам их излучений, лазеры находят всё расширяющееся применение в различных областях человеческой деятельности.

Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков, считывания штрих- кодов в магазинах и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

В последние годы открываются принципиально новые виды лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия. Так же, лазеры упрощаются и дорабатываются под нужды той или иной отрасли жизнедеятельности людей. В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества традиционных лазерных технологических процессов обработки были разработаны новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития теории и практики в технологии приборостроения.

Глава I. Теоретическая часть

1. Свойства лазерного излучения

Лазерные источники света обладают рядом преимуществ, по сравнению с другими источниками света.

1.1 Мощность. В первых лазерах с активным веществом из рубина энергия светового импульса была примерно 0,1 Дж. В настоящее время энергия излучения некоторых твердотельных лазеров достигает тысяч джоулей. При малом времени действия светового импульса можно получать огромные мощности. Так, мощность неодимового лазера достигает 2,5·10¹³ Вт! (Для сравнения – мощность Красноярской ГЭС равна 6·10⁹ Вт.) Мощность газовых лазеров значительно ниже (до 50 кВт), однако их преимущество в том, что их излучение происходит непрерывно.

1.2 Интенсивность излучения многих лазеров лежит в пределах 10- 10⁵ Вт/м². Например: гелий-неоновый лазер имеет интенсивность 50 Вт/м².Такую же интенсивность имеет излучение 100- ваттной лампочки накаливания на расстоянии 1 м от нее. Но если рассматривать интенсивность излучения, приходящую на единицу спектрального излучения, у лазеров она во много раз больше.

1.3 Направленность излучения. Важным свойством лазерного излучения является его строгая направленность, характеризуемая очень малой расходимостью светового луча, что является следствием высокой степени когерентности. Угол расходимости лазерного пучка очень мал, и поэтому интенсивность светового потока почти не убывает с расстоянием. Импульсные лазеры могут создавать интенсивности света до 10¹⁴ Вт/м². Мощные лазерные системы могут давать интенсивности до 10²⁰ Вт/м². Для сравнения заметим, что среднее значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности всего лишь 10³ Вт/м². Следовательно, яркость даже относительно слабых лазеров в миллионы раз превышает яркость Солнца. Такая направленность, совершенно недостижимая в обычных источниках света, позволяет передавать световые сигналы на огромные расстояния при очень малом ослаблении их интенсивности, что крайне важно при использовании лазеров в системах передачи информации или в космосе.

1.4 Монохроматичность. Монохроматическим называют излучение со строго одинаковой длиной волны. Реальное излучение не может быть монохроматическим уже потому, что оно состоит из множества цугов. Лазерное излучение обладает высокой степенью монохроматичности. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно.

1.5 Когерентность. Колебания называют когерентными, если разность фаз между ними остается постоянной во времени. Некогерентный световой пучок в принципе нельзя сфокусировать в пятно очень малых размеров, поскольку этому препятствует различие в фазах составляющих его цугов. Когерентное лазерное излучение можно сфокусировать в пятно диаметром, равным длине волны, этого излучения, что позволяет увеличивать и без того большую интенсивность лазерного пучка света.

1.6 Поляризация. В отличие от естественного света лазерное излучение полностью поляризовано.

Глава II. Практическая часть
В работе была использована лазерная указка имеющая следующие технические характеристики.
Размер : 14 × 155 мм
Стиль луча: Непрерывная линия.
Цвет света: сине-фиолетовый свет
Стиль света: один луч света
Выходная Длина волны: 405 нм
Выходная мощность: 5 мВт
Дальность лазера: 10-100 метров
Источник питания: 2 аккумулятора AAA
Рабочее напряжение: 3,0 В
Рабочий ток: 350 мА

1. Исследование физических свойств полупроводникового лазера

1.1 Угловая расходимость

Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является угловая расходимость Расходимость пучка лазерного луча является мерой того, как быстро луч расширяется. Для изучения однородности и расходимости были сделаны снимки светового пятна, формируемого лазером на экране. По результатам наблюдения и анализа сним­ков можно сказать, что интенсивность луча полупроводникового лазера изменяется по площади сечения: максимальная – в центре, она плавно спадает к краям.

Измерения показали, что при увеличении рас­стояния от источника ширина луча по горизонтали и ширина луча по вертикали меняются незначительно. Это говорит о острой направленности лазерного луча. значит, что угол расхождения луча по­лупроводникового лазера мал. (таблица 1)

1. 2. Когерентность

Когерентность является одним из важнейших понятий оптики и означает способность света проявлять интерференционные эффекты. Изучение когерентности излучения лазера производилось путем сравнения полученных интерфе­ренционных и дифракционных картин, являющихся след­ствием волновой природы света. Были проведены экспе­рименты по наблюдению дифракции на дифракционной решетке (фото 1) и на тонкой игле. Дифракционную картину сни­мал на цифровой фотоаппарат, а изображение вводил в компьютер. Интерферен­ционные картины были получены также при отражении луча лазера от поверхности стеклянной пластины. Для этого в одном конце кабинета устанавливался лазер, а в другом – штатив со стеклом так, чтобы луч отражался от двух поверхностей стекла и отраженные лучи падали на экран, где происходила интерференция. Полученные интерференционные картины показали, что излучение по­лупроводникового лазера обладает ко­герентностью, поскольку получить дифракцию можно и для некогерентного луча, но интер­ференция возможна лишь для когерентного излучения.

1.3 Поляризация

Последний этап – исследование поляризации из­лучений полупроводникового лазера. Для анализа степени поляризации излучения лазера на пути луча устанавливался поляроид, вращая который можно менять направление поляризации про­пускаемого излучения. За ноль угла поворота поляроида принят угол, при котором интенсивность излучения ми­нимальна. Из снимков, полученных при различных углах поворота поляроида, видно, что луч полупроводниково­го лазера, проходя через поляризатор, установленный на ноль градусов, не гаснет полностью, – четко видны область излучения. При изменении угла поляроида до 15 градусов луч трансформируется и принимает обычную форму. Луч лазера при установке поляроида на 0 градусов почти полностью погашен, с изменением угла поворота поляроида структура луча остается прежней и только увеличивается интенсивность излучения. Из этого опыта можно сделать вывод: луч полу­проводникового лазера поляризован. (фото2)

Вывод: Полученные результаты экспериментов доказывают, что полупроводниковый лазер (лазерная указка) приго­ден для использования в качестве источника когерентно­го излучения при проведении демонстрационных и лабо­раторных опытов по физике.

2. Использование лазерной указки в школьном физическом эксперименте

Лазеры, применяемые в преподавании физики в шко­лах, должны удовлетворять нормам техники безопасно­сти. Мощность излучения должна быть достаточной для проведения соответствующих опытов перед аудиторией в 30-40 человек. Этим условиям удовлетворяет полупро­водниковый лазер. Приведу некоторые демонстраци­онные опыты по физике, в которых можно использовать лазерную указку.

2.1 Звуковой осциллограф

Полупроводниковый лазер может служить осно­вой для создания своеобразного звукового осцилло­графа. Прибор представляет собой цилиндр, с одной стороны которого натягивается тонкая резина. Вто­рой конец цилиндра остается открытым. К резине каплей клея прикрепляется зеркальце на расстоянии 1/3 диаметра от края цилиндра (кусочек от лазерного диска). (фото 3)

Для проведения опытов в качестве источника света используется полупроводниковый лазер. Зайчик от него четко виден на стене. Источником звука может служить голос экспериментатора или любой другой звук. Вибрации воздуха передаются резиновой мембране, а через неё – зеркальцу, от которого на стене или экране получаются осциллограммы звуко­вых колебаний.

Данный прибор имеет развертку, т.е. позволя­ет наблюдать характер колебаний в зависимости от времени. Это обусловлено несимметричным поло­жением зеркальца на мембране (развертка в данном случае будет не линейная, а круговая). По получен­ным осциллограммам можно увидеть отличие шума от музыкального тона, связь амплитуды и громкости и т.д. Для проведения опытов использовалась акустическая система и генератор звуковой частоты. Из опыта можно сделать вывод, что классическая музыка состоит из нот, а рок музыка- из чистого хаоса. (фото 4)

2. 2. Демонстрация полного внутреннего отражения

Для наблюдения явления полного внутреннего от­ражения в тонкостенный стакан наливается 7-8 см воды. Луч лазера направляется на боковую стенку ста­кана под некоторым углом вверх. В воде луч прелом­ляется, а затем полностью отражается от поверхности воды и выходит, преломляясь с противоположной сто­роны стакана. Изменяя углы падения на боковую стен­ку стакана, можно наблюдать полное отражение све­та. Для улучшения видимости луча в стакан с водой можно добавить раствор флюоресцина или добавить немного извести.(фото 5).

Полное отражение света можно наблюдать и в стеклянной призме. Призма позволяет поворачивать световой пучок на 90°, поэтому ее называют поворотной. Внутри призмы наблюдается однократное внутреннее отражение от грани. Во втором случае внутри призмы световой пучок испытывает уже двукратное полное отражение. Эта призма может быть использована для разворота светового пучка на 180° , поэтому она называется оборотной. (Фото 6)

2. 3. Простейшая модель световода

Приоритет открытия световодного эффекта принад­лежит Джону Тиндалу, который в 1870 году в Королев­ском научном обществе Великобритании продемонстри­ровал эффект канализации света по заполненной водой изогнутой стеклянной трубке.

Для наблюдения полного отражения света я брал следующую модель световода:  в бутыль, имеющую отверстие около дна, наливаем воду, закрываем пробкой. Отверстие снизу закрывается пробкой со вставленной стеклянной трубочкой, чтобы сделать узкую струю воды. С противоположной стороны бутыли устанавливаем лазер так, чтобы его луч попал в стеклянную трубочку. Слегка открываем верхнюю пробку, вытекает струйка воды, луч лазера изгибается вслед за изгибом воды. Струя светится, так как луч лазера многократно отражается от границы «жидкость-воздух». (Фото 7)

Данное явление можно наблюдать с U- образной трубкой. Сосуд заполняю водой и направляю лазерный луч в трубку. Вторая трубка сосуда также окажется ярко освещенной. (Фото 8)

2.4 Определение длины волны полупроводникового лазера

Экспериментальная установка включает в себя лазер­ный источник света, дифракционную решётку периодом 1/100 мм и экран с миллиметровой шкалой.

Дифракционная решетка располагается между ла­зером и экраном таким образом, чтобы на экране полу­чились чёткие изображения центрального максимума и спектров первого и второго порядков. Длина волны лазе­ра определяется по формуле:

где d – период решетки,

k – порядок спектра,

α – угол, под которым наблюдаются спектры первого, второго и т.д. порядков.

Поскольку углы, под которыми наблюда­ются максимумы 1-го, 2-го порядков малы, можно вме­сто синусов углов использовать их тангенсы:

где а – расстояние между центральным максимумом и максимумом первого, второго и т.д. порядков,

с – рассто­яние от дифракционной решетки до экрана. Тогда фор­мула для определения длины волны лазера будет:

Полученные результаты измерений приведены в таблице 2. [6]

2. 5 Определение периода компакт-диска как отражающей дифракционной решётки

Зеркальная поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. На такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности в отраженном свете заметно проявляются дифракционные и интерференционные явления, что и является причиной радужной окраски создаваемых им бликов.

Луч лазера занимает на компакт-диске настолько малую площадь, что этот участок можно считать одномерной дифракционной решеткой (рис.1). Она характеризуется постоянным шагом d , и условие максимумов в отраженном на ней свете определяется по известной формуле  d sinφ_k =k,

где k – номер (порядок) максимума,

- длина волны падающего света.

Формула справедлива при нормальном падении луча на диск. В данном случае наблюдаются по два дифракционных максимума с каждой стороны от падающего луча.

 Для проведения экспериментальных наблюдений я использовал транспортир, на котором жестко закреплены лазерная указка и фрагмент компакт диска. Зеркальные дорожки компакт-диска, имеющие форму дуг, ориентированы близко к вертикальному направлению. Фрагмент закреплен у нулевой точки транспортира. Указка ориентирована так, что лазерный луч падает перпендикулярно плоскости фрагмента. [8]

Дифрагированные лучи попадают на боковые стороны транспортира, их углы отклонения определяются по показаниям транспортира. Подготовка прибора включает проверку юстировки лазера. Она считается нормальной, если отраженный луч возвращается в его выходное окно. Проверить это можно по положению пятна на полоске белой бумаги, размещенной вблизи окошка.

Поскольку зеркальные дорожки имеют дугообразную форму, то дифрагированные лучи не лежат строго в плоскости транспортира и поэтому для их наблюдения также следует пользоваться белым экраном, помещая его вблизи шкалы и ориентируя перпендикулярно плоскости транспортира.

Включив лазер, я измерил углы дифракции для максимумов первого и второго порядка. Проделал это сначала по левой (α₁ и α₂ ), а затем - по правой (α₃ и α₄ ) частям шкалы транспортира. Результаты занес в таблицу 3. Вычислил средние значения углов

φ₁ =(α₁ +α₃ )/2 и φ₂ =(α₄ +α₂ )/2 .

По полученным значениям углов дифракции я определил период d дифракционной структуры зеркальной поверхности компакт-диска.Результаты наблюдений дифракции света на компакт-диске приведены в таблице 3.

Из анализа экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

1. Период дифракционной структуры CD-диска  d = 1526 нм, DWD –диска d= 815/4 нм.

2. Вдоль радиуса CD-диска на каждом миллиметре размещается n = 657 зеркальных дорожек, DWD-диска 1233 зеркальных дорожки.

3. Период решетки DVD диска значительно меньше, чем у CD.

3. Использование лазерной указки в быту и технике

Лазерная указка может найти применение в быту, например, для дистанционного управления работой электро- и радиоприборов. Для этого можно сконструировать автомат, способный по сигналу указки включать и выключать бытовые электро- и радиоприборы с любыми блоками питания, а также электроприборы с электро- двигателями, например, вентиляторы. Указка может работать в охранных устройствах, самодельных игрушках, устройствах для отпугивания птиц и т.д. Сама указка при этом никакой переделки не требует. Можно изготовить и светотелефон на базе лазерной указки [6]. При направлении луча указки на приемник абонента, в котором устауста­новлен фотодатчик с усилителем, в динамической голов­ке приемника раздастся звук. Два приемопередатчика, размещенные в пунктах связи, образуют светотелефон. Лазерную указку не переделывают, а лишь подключа­ют к электронной «начинке» устройства, причем корпус соединяют с плюсом питания. Устройство состоит из пе­редающего и приемного узлов, которые конструктивно размещены в телефонной трубке (кроме указки и фото­транзистора). Питание поступает от автономного или сетевого блока. На практике дальность связи может до­стигать нескольких сотен метров, но в пределах прямой видимости. Правда, потребуется точно сориентировать лазерный луч и надежно зафиксировать положение указ­ки и фототранзистора. Проводить такую настройку сле­дует в темное время суток, пользуясь подзорной трубой или биноклем.

Можно создать устройство – лазерный дальномер – прибор, с помощью которого определяется расстояние до тел, находящихся, например, в недоступном месте.

Классическим способом определения расстояний был и остаётся угломерный геометрический способ. Гео­метрический способ основан на явлении параллактиче­ского смещения.

Параллактическое смещение есть кажущееся угловое смещение предмета, вызванное перемещением наблюдателя. Поясним это примером. Если вы посмотрите одним глазом на свой палец на фоне стены, то увидите его на фоне стены в определенном направлении. Если теперь вы посмотрите на палец другим глазом, то увидите его уже в другом направлении: он будет виден на фоне стены в другом ее месте. Расстояние по прямой линии между теми двумя точками, из которых наблюдатель определяет направление к предмету, называется базисом. В приведенном выше примере базисом является расстояние между глазами наблюдателя.

Зная длину базиса и измерив углы между ним и направлениями к предмету от концов базиса, можно определить расстояние до предмета вычислением, не прибегая к измерению расстояния непосредственно. Этой возможностью широко пользуются при земляных работах или в военном деле, а в астрономии - для определения расстояния до небесных тел.

Пусть, например, надо определить расстояние АВ до дерева А (см. рисунок), находящегося на другом берегу реки. Для этой цели выберем точку С на берегу так, чтобы отрезок ВС служил базисом, длину которого можно было бы измерить удобно и точно. Затем при помощи угломерного инструмента, находясь в точке В, мы измеряем угол ABC, для чего наводим инструмент сначала на предмет, а потом на точку С (где обычно вбивают колышек).

Рисунок Измерение расстояния до недоступного предмета.

Затем переносим наш инструмент в точку С и точно так же измеряем угол АСВ. У нас получается треугольник, в котором известны одна сторона (длина базиса ВС) и два прилежащих к ней угла. В таком случае либо построением, либо (точнее) тригонометрически можно вычислить длину двух других сторон - ВА и СА, то есть расстояние до предмета.

Заметим еще, что на рисунке параллактическое смещение представляется углом DCА, равным углу между СА (направлением к предмету А от точки С) и CD (направлением, параллельным направлению В А к предмету из точки В).

Параллаксом называется угол, под которым от предмета виден базис наблюдателя. На рисунке параллаксом будет угол ВАС.

Параллакс и параллактическое смещение равны. При данном расстоянии увеличение базиса увеличивает точность измерения параллакса, а следовательно, повышает точность определения этого расстояния. [7]

Для построения дальномера использованы две лазер­ные указки и три прозрачные линейки из оргстекла (одна из них длинная). Оба лазера прикрепляются к большой линейке таким образом, чтобы один из них находился строго перпендикулярно к ней, а другой лежал перпен­дикулярно линейке на её нулевой отметке и имел угол поворота 90˚. Также к нулевой отметке большой линейки перпендикулярно крепится одна маленькая, а затем та­кая же линейка крепится параллельно большой так, что­бы лазерный луч несколько касался её ребра с указанием сантиметров. (Фото 8)

При включении лазеров наблюдаются на некотором расстоянии две красные точки. Расстояние между ними равно длине базиса – расстояния между лазерами, затем эти точки сводятся в одну. Для этого лазер, который име­ет угол поворота, поворачивается в сторону закреплён­ного неподвижного лазера. В момент совпадения точек на противолежащей базису линейке лазерный луч, чуть касаясь его ребра, показывает длину противолежащего катета. Длина прилежащего катета фиксирована и имеет постоянную длину.

Для вычисления расстояния используется формула

Если в дальнейшем уменьшить размеры дальноме­ра и прикрепить их к биноклю, то можно применить их на природе, на охоте. Для определения расстояний до каких-либо тел применяются уменьшенные по размерам дальномеры, которые можно прикрепить к биноклю.