Цель работы: изучить характеристики излучения лазера.

Оборудование: лазер полупроводниковый (лазерная указка), экран, дифракционные решётки с разными периодами (1/100 и 1/600), держатель дифракционной решётки, мерная лента, линейка, поляроид, фотоэлемент, цифровой мультиметр.

Теория. Полупроводниковый лазер – это лазер, в котором активной средой является полупроводник. Излучение, как и в обычных лазерах, генерируется в результате квантовых переходов, но не между дискретными уровнями энергии, а между разрешёнными энергетическими зонами, разделёнными так называемой зоной запрещённых энергий (запрещённой зоной). Ширина запрещённой зоны определяет частоту излучения. Энергетические переходы в полупроводниковом лазере осуществляются в результате слияния (рекомбинации) пары электрон–дырка в активной области. Известно много полупроводниковых составов с различной шириной запрещённой зоны, что позволяет получать лазеры, излучающие в широком диапазоне длин волн, – от 30 нм (УФ-область) до 40  мкм и более (ИК-область).

Наибольшее распространение получили инжекционные полупроводниковые лазеры, в которых накачка, т.е. создание избыточной концентрации электронов и дырок (аналогично инверсии населённостей энергетических уровней в обычных лазерах), достигается путём инжекции (впрыскивания) носителей заряда в активную область. Инжекционный лазер (лазерный диод) – это, в простейшем случае, p–n-переход, т.е. два прижатых друг к другу полупроводниковых кристалла (обычно GaAs – арсенида галлия), практически одинаковых по химическому составу, но различающихся типом проводимости.

Определённый тип проводимости достигается легированием, т.е. добавлением очень небольшого количества донорной (для получения проводимости р-типа) или акцепторной (для получения проводимости n-типа) примеси. Если на такой переход подать прямое напряжение смещения, электроны из n-области и дырки из р-области начнут двигаться в область перехода навстречу друг другу. Оказавшись на расстоянии туннелирования, они объединяются (рекомбинируют) с излучением фотона. Чем сильнее электрическое поле в области p–n-перехода, тем больше ток накачки и тем мощнее излучение. Минимальный ток накачки, при котором начинается излучение, называется пороговым.

Чтобы излучение было как можно ближе к монохроматическому, его пропускают через оптический резонатор, обычно резонатор Фабри–Перо. Как правило, роль резонатора выполняет сам лазерный диод, противоположные грани которого специальным образом скалывают, чтобы они служили зеркалами.

Устройство простейшего инжекционного лазера

Впервые такие лазеры независимо и одновременно продемонстрировали в 1962 г. несколько американских исследователей (Р.Холл, Т.Мейман, Т.Квист и др.), но теоретическое обоснование их работы дали А.М.Прохоров и Н.Г.Басов ещё в 1958 г. Эти лазеры работали нестабильно, срок их жизни был невелик, а непрерывная генерация была возможна только при низких температурах. Огромный вклад в разработку полупроводниковых лазеров внёс академик Ж.И.Алфёров (удостоенный за эти разработки Нобелевской премии в 2006 г.).

Современные лазерные диоды – это сложные многослойные полупроводниковые структуры микронных размеров, которые выращиваются в дорогостоящих установках методами полупроводниковой технологии (в частности, методом эпитаксии – ростом одного кристалла на поверхности другого с сохранением кристаллографической ориентации). Схематично типичная лазерная гетероструктура (полосковый лазер с p- и n-областями различного химического состава) показана на рисунке. Активный – светоизлучающий – слой представляет собой полоску толщиной несколько микрометров, шириной несколько десятков микрометров и длиной несколько сотен микрометров. Соответственно лазерный луч получается очень узким в горизонтальном направлении и достаточно сильно (до 40°) расходится в вертикальном. Для сужения луча предусматриваются специальные меры (здесь не обсуждаются).

Наиболее доступны полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения 700 нм (красный луч) и 530 нм (зелёный). Для их работы требуется источник постоянного электрического тока напряжением до 3 В (до 50% его энергии превращается в излучение).

Лазерная указка. Устройство лазерной указки представлено на рисунке. Источником питания служат три соединенные последовательно миниатюрные батарейки 1 с ЭДС 1,2 В каждая. Электронная схема 2 с кнопкой включения смонтирована в середине корпуса и подключена к лазерной головке 3. Лазерное излучение указки имеет длину волны 630–680 нм и мощность менее 1 мВт. Линза 4 фокусирует его в тонкий луч.

Ход работы

• Определение длины световой волны

Установите в держателе дифракционную решётку с периодом 1/100 перпендикулярно лазерному лучу на расстоянии от выходного окна лазера не менее 50 см. Измерьте расстояние от решётки до экрана. Измерьте расстояние между серединами дифракционных максимумов нулевого и всех последующих порядков, видимых на экране по обе стороны от нулевого. Для всех измеренных дифракционных максимумов рассчитайте длину световой волны и погрешность её измерения.

Повторите измерение для решётки с периодом 1/600. Как отличаются дифракционные картины для этих решёток? Почему?

• Оценка расходимости лазерного излучения

Установив экран вблизи выходного окна лазера, измерьте диаметр лазерного пучка в горизонтальном и вертикальном направлениях (d₁ и d₁*), отметьте первое положения экрана. Затем переместите экран на расстояние не менее 2 м от лазера (можно использовать стену) и снова измерьте горизонтальный и вертикальный размеры лазерного пучка (d₂ и d₂*). Измерьте расстояние между двумя положениями экрана М. Как видно из рисунка, угол расходимости пучка в радианах можно оценить по формуле: θ ≈ (d₂ – d₁)/(2М).

Оцените горизонтальный и вертикальный углы расходимости пучка. Объясните полученные результаты.

Примечание. В связи с тем, что излучающий элемент тонкий, луч на выходе диода из-за дифракции сильно расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо использовать собирающую линзу. Луч одномодового лазера, каким и является лазер в указке, в сечении получается эллиптическим, т.к. расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной.

• Поляризованность лазерного излучения

Направив свет от лазера на поляроид, можно заметить, что при вращении поляроида вокруг собственной оси интенсивность проходящего через него света меняется.

Соберите установку по рисунку. Вращая поляроид вокруг оси ОО', определите положение, при котором интенсивность проходящего через поляроид света максимальна. Условимся считать это положение начальным. Вращая поляроид, исследуйте зависимость интенсивности проходящего через него света от угла поворота поляроида α.

Поскольку сила тока в цепи фотоэлемента пропорциональна интенсивности падающего на него света, определите, измеряя силу тока, зависимость интенсивности прошедшего через поляроид света I ' от угла поворота поляроида α. Постройте графики функций I ' (cosα) и I ' (cos²α).

Поставьте ещё один поляроид между первым поляроидом и фотоэлементом. Убедитесь, что интенсивность выходного луча будет равна нулю, если линейно поляризованный свет проходит последовательно через два поляроида, оси которых образуют с плоскостью поляризации исходного пучка углы α₁ = 30° и α₂ = 60° (углы отсчитываются в одном направлении).

Сделайте выводы по проделанной работе.