− 17 −

Лабораторная работа № 8 − 2

Изучение характеристик фотосопротивления ФСК-Г2

Цель работы. Знакомство с закономерностями внутреннего фотоэффекта на примере изучения характеристик фотосопротивления ФСК-Г2.

Рис. 9. Схема установки

Описание экспериментальной установки

Для снятия характеристик фотосопротивления ФСК-Г2 применяется установка, схема которой приведена на рис. 9. Напряжение постоянного тока 0 − 50 В подается на фотосопротивление типа ФСК-Г2 от источника регулируемого напряжения УИП-2. Напряжение на фотосопротивлении измеряется цифровым вольтметром В2-23. Для измерения тока, текущего через фотосопротивление, служит цифровой вольтметр ВК7-10А (мА). Он измеряет падение напряжения на сопротивлении 1 кОм, включенном последовательно с фотосопротивлением. Например, току 1 мА соответствует падение напряжения на фотосопротивлении 1 В.

Фотосопротивление и лампочка установлены на фотоскамье так, что лампочка может перемещаться на различные расстояния относительно фотосопротивления. Освещенность фотосопротивления Е при этом изменя-

ется согласно формуле

E ~ 1/r2,

где r − расстояние между лампочкой и фотосопротивлением. Техника безопасности. Перед включением установки проверить

исправность заземления УИП-2 и обоих цифровых вольтметров. Напря-

− 18 −

жение на выходных клеммах УИП-2 во включенном состоянии достигает 50 В, поэтому клеммы руками не трогать.

Порядок выполнения работы

1. Определить удельную чувствительность три раза при различных r и U

в указанных пределах.

2.Подключить к сети ВК7-10А/1 и включить тумблер “СЕТЬ” на его передней панели. Дать вольтметру прогреться 20-30 минут.

3.Подключить к сети В2-23 и включить тумблер “СЕТЬ” на его передней панели. Дать вольтметру прогреться 10 − 20 минут.

4.После прогрева ВК7-10А/1 подготовить его к измерениям.

5.Переключатель вида работ на передней панели вольтметра поставить в положение “УСТАНОВКА НУЛЯ”. Ручкой “УСТАНОВКА НУЛЯ” получить нулевые показания на всех декадах вольтметра.

6.Переключатель вида работ перевести в положение “КАЛИБРОВКА ВОЛЬТМЕТРА”. Ручкой “КАЛИБРОВКА ВОЛЬТМЕТРА” добиться, чтобы вольтметр показывал число, указанное на его правой боковой панели. После этого прибор будет готов к работе при установке всех переключателей в нижеуказанные положения.

7.Переключатель вида работ перевести в положение измерения постоянного напряжения, указанное значком “ = “.

8.Переключатель диапазонов должен стоять в положении “100 В“. Тумблер вида запуска должен стоять в положении “АВТОМАТ”.

9.Длительность цикла измерения устанавливается с помощью регулятора плавной настройки в пределах 1 − 5 секунд.

10.После прогрева вольтметра В2-23 проверить правильность подготовки его к работе.

11.Переключатель “ВИД ЗАПУСКА” должен быть в положении “1, 2“.

12.Переключатель “ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ” − в положении “1 с“.

13.Переключатель “ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ” в положении “100 В“.

14.Подключить УИП-2 к сети и включить тумблер “СЕТЬ” на его панели.

15.Включить автомобильную лампочку в розетку ~12 В на подвижном столике фотоскамьи.

16.Далее выполнять работу согласно указаниям, приведенным последовательно в пунктах с 4 до 12 в предыдущей лабораторной работе № 8−1.

− 19 −

Спонтанное и вынужденное излучения

Рассмотрим вначале процесс поглощения и излучения света атомами

(рис. 10).

фотон, переходит из состояния с энергией Wi в состояние с энергией WK. 2. Атом, находящийся на верхнем энергетическом уровне, может случайно (спонтанно), самопроизвольно перейти на нижний энергетический уровень, излучая при этом фотон. Вероятность того, что атом спонтанно перейдет на более низкий уровень, различна. Можно ввести среднее время жизни на данном энергетическом уровне (в состоянии с данным зна-

чением энергии) τK.

3. Можно воздействовать на возбужденный атом другим, внешним фотоном (имеющим энергию, равную энергии фотонов, излучаемых самопроизвольно); при этом возбужденный атом перейдет на более низкий энергетический уровень и испустит фотон, который добавится к падающему. Такое вынужденное излучение называется индуцированным или стимулированным. Оно обладает следующей замечательной особенностью.

Индуцированное излучение происходит в том же направлении, что и излучение его вызывающее, в одинаковой с ним фазе и одинакового состояния поляризации.

Вобычных источниках света все атомы излучают свет независимо друг от друга – спонтанное излучение атомов.

В1954 г. советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и, независимо от них, американский физик Ч. Таунс создали первый молекулярный генератор радиоволн, использующий индуцированное излучение. За создание квантовых усилителей и генераторов Басов, Прохоров и Таунс были удостоены Нобелевской премии за 1964 г.

Квантовые генераторы, излучающие видимые и инфракрасные лучи, получили название лазеры или оптические квантовые генераторы. Лазер (английское LASER) происходит от первых букв выражения: «Light Ampli-

fication by Stimulated Emission of Radiation” − усиление света с помощью индуцированного излучения.

Рассмотрим кратко принцип действия лазеров на твердом теле, газовых и полупроводниковых лазеров.

− 21 −

(красный свет). Такие переходы можно стимулировать фотонами с той же длиной волны, вызывая лавинообразное возвращение ионов хрома в основное энергетическое состояние.

Схема лазера на твердом теле приведена на рис. 12. Рубиновый стержень (длиной ~10 см, диаметром ~1 см) расположен вблизи импульсной лампы. Для возбуждения (накачки) активного вещества рубинового лазера применяется импульсная газоразрядная лампа-вспышка, заполненная смесью газов неона и криптона, дающая зеленое свечение. Лампа-вспышка помещается внутри специального металлического рефлектора, направляющего ее излучение на рубиновый стержень. Источником питания лам- пы-вспышки служит периодически заряжаемый от источника высокого напряжения (ИВН) конденсатор большой емкости (С).

Плоские торцы рубинового стержня строго параллельны, отшлифованы и посеребрены так, что образуются два зеркала, причем одно из них полупрозрачно. Во время работы лазер нагревается и его приходится охлаждать.

Рассмотрим формирование луча в активном веществе лазера (рис. 13). Свет от импульсной лампы, поглощенной ионами хрома, переводит их в возбужденное состояние; затем следует безизлучательный переход на

метастабильный уровень. Происходит так называемая «оптическая накачка». Некоторые из возбужденных атомов хрома спонтанно излучают фотон, переходя на основной энергетический уровень. Фотоны с направлением движения, параллельным оси рубина, многократно отражаясь от торцовых зеркал, вовлекают все большее и большее число атомов хрома и индуцированное излучение – создается лавина фотонов.

При достаточном усилении часть пучка выходит через полупрозрачный торец кристалла. В связи с тем, что только те фотоны, которые идут вдоль оси трубки или под малыми углами к ней, могут совершать большое количество прохождений между зеркалами и тем самым эффективно усиливаться, лазер излучает свет в виде почти параллельного, остронаправленного пучка фотонов. Фотоны в этом пучке имеют одинаковую частоту и находятся в одной фазе, так что весь пучок монохроматичен и строго когерентен.

Длительность импульса излучения лазера очень мала (10−6 – 10−8 с). Выходная мощность рубиновых лазеров достигает в импульсе десятков миллионов ватт при сечении пучка около 1 см2; амплитуда электрического поля световой волны – до 106 В/см. Если сфокусировать с помощью обычных линз пучок лучей когерентного излучения от лазера, то при этом можно достичь его сечения в 0,001 см и интенсивности 1015 Вт/см2, а амплитуда электрического поля световой волны достигает 109 В/см. При этом плавится и испаряется любой тугоплавкий материал.