Описание прибора

Рис. 63

В состав установки для регистрации вольт-амперных (ВАХ) и люкс-амперных (ЛАХ) характеристик, блок-схема которой представлена на рис. 63, входят: регулируемый источник напряжения 1; вольтметр 2; амперметр 3; исследуемый гетеролазер 4 и люксметр 5 для измерения интенсивности света, генерируемого исследуемым лазером.

Проведение измерений и обработка результатов

1. Медленно изменяя напряжение на гетеролазере, записывают показания вольтметра, амперметра и люксметра.

2. Результаты заносят в таблицу, по возможности точно отмечая напряжение начала генерации спонтанного излучения (то есть отклонение стрелки люксметра от нуля) и начала лазерного когерентного режима излучения света U_k.

Напряжение U, В
Ток I, мА
Показания люксметра Е, лк

3. На основании полученных экспериментальных данных строят зависимость тока от напряжения I=I(U) (ВАХ) и зависимость освещённости фотоприёмника люксметра от протекающего через гетеролазер тока Е=Е(I) (ЛАХ).

4. Постройте зависимость выходной мощности гетеролазера Р_вых=kЕ от входной мощности Р_вх (где k=10^-5Вт/лк, Р_вх=IU, Е – показания люксметра в люксах). Определите наклоны этой зависимости на участках спонтанного и индуцированного излучения.

5. Постройте зависимость КПД  от подводимой электрической мощности Р_вх (здесь =Р_вых/Р_вх) и найдите наиболее экономичный режим работы гетеролазера, при котором его КПД максимален.

6. На основе полученных данных найдите рабочий ток, обеспечивающий максимальный КПД, а также пороговую плотность тока j_пор=I_раб/S, где I_пор – ток, при котором начинается индуцированное излучение, а S=10^-6м² – площадь гетеролазера.

Контрольные вопросы и задания

1. Каковы условия генерации когерентного излучения?

2. Рассказать о методах создания инверсной заселённости энергетических уровней в твёрдых телах.

3. Рассказать о вероятности спонтанного и стимулированного излучения.

4. Рассказать о назначении оптического резонатора и методах его изготовления.

5. Каковы устройство и принцип действия полупроводниковых гомо- и гетеролазеров? В чём преимущества гетеролазеров?

6. Рассказать о способах улучшения эксплуатационных характеристик полупроводниковых гетеролазеров.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВАКУУМНОГО

ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы: снятие вольт-амперной характеристики вакуумного фотоэлемента и определение зависимости величины фототока насыщения от освещённости фотокатода.

Приборы: экспериментальная установка.

Теоретические сведения

В науке и технике широкое применение получили фотоэлементы – приборы, в основе действия которых лежит явление внешнего фотоэффекта.

За объяснение в 1905 г. этого эффекта, состоящего в выбивании из катода фотоэлемента электронов при падении на него квантов света, А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Уравнение Эйнштейна, описывающее это квантовое явление, имеет вид

, (1)

где h – постоянная Планка; ν – частота излучения; А_вых – работа выхода электронов из металла; m и υ – масса и скорость электронов.

Очень важным свойством вакуумных фотоэлементов является их низкая инерционность. Время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10^-9с. Получаемый ток зависит от освещённости, фототок растёт с напряжением, но при определённом напряжении достигает насыщения, а дальнейшее повышение напряжения уже не приводят к увеличению тока, так как все выбитые электроны достигают анода.

Зависимость фототока от напряжения изображают кривой, называемой вольт-амперной характеристикой фотоэлемента. Освещённость E фотокатода пропорциональна силе света J источника и обратно пропорциональна квадрату его расстояния d от фотокатода. Так как между фототоком I и силой света J источника существует прямая пропорциональность, фототок насыщения I_н обратно пропорционален квадрату расстояния.

Принимая лампочку за точечный источник света, можно считать, что освещённость фотокатода изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между лампочкой и фотоэлементом. Принимая за единицу относительную освещённость фотокатода (Е_кm=1лк) при максимальном удалении лампочки от фотоэлемента d_m, находим, что освещённость фотокатода при удалении лампочки от фотоэлемента d_n при n-м положении лампочки будет равна

. (2)