Принцип дії і конструкція гелій - неонового лазера

У даній роботі використовується газовий лазер ЛГ-56, основним елементом якого є газорозрядна трубка діаметром 7–10 мм, що наповнена сумішшю гелію і неону. Парціальний тиск гелію 1 мм рт. ст., неону 0,1 мм рт. ст. При високій постійній напрузі 1–2 кВ, яка подається між електродами трубки, у трубці виникає електричний газовий тліючий розряд, який виконує роль системи накачування. Накачування відбувається у два етапи: гелій є носієм енергії збудження, а лазерне випромінювання створює неон. Електрони розряду при зіткненні збуджують атоми гелію. При зіткненні збуджених атомів гелію з незбудженими атомами неону відбувається передача їм енергії (без випромінювання). В результаті виникає інверсна заселеність на одному із верхніх рівнів атома неону. Перехід атома неону з верхнього рівня на один із нижніх супроводжується лазерним випромінюванням (генерацією червоного світла з довжиною хвилі λ = 0,6328 мкм).

Опис установки

Всі деталі установки (екран, лазер, дифракційну ґратку) змонтовано на оптичній лаві. Лазерне випромінювання, що пройшло через дифракційну ґратку, дає на екрані ряд дифракційних максимумів і мінімумів, розташованих симетрично відносно найбільш яскравого центрального максимуму нульового порядку (рис. 10.1).

У даній роботі використовується дифракційна ґратка зі сталою величиною b = 10 ^-5 м.

Рис. 10.1

Увага! Вмикання лазера робить тільки викладач. Лазер вмикається тільки на 10 хвилин. Попадання в очі прямого лазерного випромінювання небезпечне для зору. Тому, при роботі з лазером, його світло треба спостерігати тільки на розсіювальних поверхнях.

Порядок виконання роботи

Завдання 1.

Визначення довжини хвилі лазерного випромінювання

1. Увімкнути блок живлення лазера в мережу 220 В і через 1–2 хв. натиснути на кнопку «Запуск». З’явиться лазерний промінь.

2. На відстані ~ 0,6 м від вихідного вікна лазера розмістити рейтер з дифракційною ґраткою так, щоб промінь лазера проходив через її центр.

3. Змінюючи відстань L від дифракційної ґратки до площини екрану, виміряти лінійкою відстань D_k між центрами лівого і правого максимумів другого порядку.

4. Обчислити довжину хвилі λ за формулою:

,

де b = 10 ^-5 м – стала ґратки, k = 2 – порядок спектру.

5. Результати вимірювань та обчислень занести до таблиці 10.1.

Завдання 2.

Визначення сталої тонкої структури

1. Зняти з оптичної лави рейтер з дифракційною ґраткою та екраном.

2. На відстані ~ 0,6 м від вихідного вікна лазера розмістити рейтер з тонкою структурою.

3. Не змінюючи відстань L від рейтера з тонкою структурою до екрану (~ 3 м) виміряти відстань D_k між центрами лівих і правих максимумів різних порядків (k=1,2,3,4,5). Екраном у даному випадку слугує аудиторна дошка.

4. Обчислити сталу b тонкої структури за формулою:

,

де – середнє арифметичне значення довжини хвилі лазерного випромінювання, знайдене в попередньому завданні.

5. Дані вимірювань та обчислень занести до таблиці 10.2.

Таблиця 10.1

№ пп	k	L, м	Dk, м	λi, м	Δλi, м	(Δλi)2, м2
1	2
2
3
4
5

Таблиця 10.2

№ пп	k	Dk, м	L, м	bi, м	Δbi, м	(Δbi )2, м2
1	1
2	2
3	3
4	4
5	5

6. Виконати статистичну обробку результатів обчислень λ і b за стандартною методикою (див. додатки) і записати остаточний результат у вигляді:

і .

7. Визначити відносні похибки за формулою:

і .

8. Проаналізувати одержані результати і зробити висновки.

Питання для самоконтролю

1. Що таке лазер ?

2. Які основні частини лазера і їх призначення?

3. Поясніть термін «інверсія заселеності».

4. Як здійснюється процес накачування у лазері?

5. За яких умов виникає вимушене (індуковане) випромінювання?

6. Які властивості лазерного випромінювання?

7. Наведіть приклади застосування лазерів у науці і техніці.

Лабораторна робота № 15

ВИЗНАЧЕННЯ ШИРИНИ ЗАБОРОНЕНОЇ ЗОНИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ТЕРМОРЕЗИСТОРА

Мета роботи: визначити ширину забороненої зони напівпровідника з температурної залежності його опору.

Прилади та матеріали (змонтовані на загальному стенді): терморезистор, електропіч, джерело постійної напруги, вольтметр, міліамперметр, термопара, термометр на основі термопари.

Теоретичні відомості

Всі речовини за своїми електрофізичними властивостями можна поділити на три великих класи: провідники, напівпровідники і діелектрики. Груба класифікація здійснюється за значенням питомого опору при кімнатній температурі: провідники мають питомий опір в межах , напівпровідники – , діелектрики – . Проте значення питомого опору не може бути єдиним критерієм належності даної речовини до якогось класу. Існує багато інших, більш суттєвих ознак. Наприклад, у металів (провідників) зі збільшенням температури питомий опір зростає, а у напівпровідників, навпаки, – зменшується. При дуже низьких температурах напівпровідники поводять себе як діелектрики. Крім цього, провідність напівпровідників значною мірою залежить від наявності домішок, освітлення та електромагнітних полів.

Зонна теорія твердих тіл пояснює з єдиної точки зору існування провідників, напівпровідників і діелектриків через відмінності їхніх енергетичних властивостей: по-перше, неоднаковим заповненням електронами дозволених зон і, по-друге, різною шириною заборонених зон.

Зона дозволених найбільших енергій, яка при повністю, у відповідності до принципу Паулі, заповнена електронами називається валентною зоною. Зона дозволених енергій, що розташована вище від валентної зони і при частково заповнена електронами або порожня називається зоною провідності. Зона заборонених енергій, що розташована між зоною провідності і валентною зоною називається забороненою зоною.

Електрони є вільними тільки у зоні провідності. Ці електрони і беруть участь у електричній провідності твердого тіла. Електрони валентної зони є зв’язаними, тому не можуть брати участь у процесі переносу електричного струму.

З точки зору зонної теорії твердого тіла, якщо при зона провідності частково заповнена електронами, то тіло є провідником електричного струму, а якщо вона не містить електронів, то – діелектриком або напівпровідником. Відмінність між діелектриками і напівпровідниками досить умовна і визначається шириною заборонених зон: у діелектриків вона доволі широка, а у напівпровідників – доволі вузька. Ширина забороненої зони у діелектриків ΔЕ>2еВ, у напівпровідників – .

Електрони можуть здійснювати тільки внутрішньозонні переходи. При температурах, близьких до абсолютного нуля, напівпровідники поводять себе як діелектрики, тому що перехід електронів із валентної зони у зону провідності не відбувається. З підвищенням температури у напівпровідників збільшується кількість електронів, які за рахунок теплового збудження переходять у зону провідності, тобто електрична провідність напівпровідників зростає. (відповідно їх опір зменшується).

Напівпровідники поділяються на власні і домішкові. Власними напівпровідниками є хімічно чисті напівпровідники, їхня провідність називається власною. Наявність у напівпровіднику домішки істотно змінює його провідність. Провідність напівпровідників, яка зумовлена домішками, називається домішковою провідністю, а самі напівпровідники – домішковими напівпровідниками.

Для власних напівпровідників залежність опору від температури має вигляд:

, (15.1)

де R – опір при абсолютній температурі Т; R₀ – постійний опір, що не залежить від температури; k – стала Больцмана; ΔЕ – енергія, що необхідна для переходу електрона з валентної зони в зону провідності (ширина забороненої зони).

Логарифмуючи рівняння (15.1), одержимо:

, (15.2)

тобто між значеннями і існує лінійна залежність. Якщо виміряти значення R при різних температурах Т і побудувати графік залежності , то утвориться пряма лінія, тангенс кута нахилу якої до вісі абсцис: , за яким можна визначити ширину ΔЕ забороненої зони напівпровідника. Користуючись формулою (15.2), для двох довільно вибраних на прямій точок із абсцисами і та відповідних їм значень ординат R₁ і R₂ одержимо:

. (15.3)

У фізиці твердого тіла ширина забороненої зони ΔЕ вимірюється у електронвольтах (еВ). Для одержання енергії в еВ використовують таке співвідношення: 1 еВ = 1,6∙10 ^-19 Дж.

Терморезистор (термістор) – електронний напівпровідниковий прилад, що являє собою пластинку напівпровідникового матеріалу з антизапірними контактами. Термістори застосовуються у системах вимірювання і регулювання температури, для вимірювання потужності електромагнітного випромінювання, швидкості потоку рідин і газів, у стабілізаторах напруги, реле та ін.

Для побудови графіка необхідно знати опір термістора R при різних температурах. Його можна визначити за законом Ома:

, (15.4)

де U – напруга, прикладена до термістора, I – струм, що протікає через термістор.