Лабораторный практикум по физике для вечернего фак 2007

Рис.21.2

Оптическую анизотропию, которую можно создать и изменять путем внешнего воздействия на среду, называют искусственной. Известно много физических явлений, которые приводят к искусственной оптической анизотропии. Наибольшее распространение среди них на практике получил электрооптический эффект Поккельса. Он заключается в линейном изменении показателя преломления под действием приложенного электрического поля. Таким образом, прикладывая напряжение к некоторым кристаллам, можно изменять поляризацию падающего на него поляризованного излучения, т.е. осуществлять модуляцию поляризации света. Однако состояние поляризации не является непосредственно измеряемой величиной. Поэтому поляризационную модуляцию преобразуют в амплитудную, пропустив выходящий из анизотропной среды свет через поляризатор П (см. рис. 19.2). Соответствующее устройство, состоящее из оптического элемента с управляемой искусственной анизотропией и поляризаторов, называют амплитудным модулято-

191

ром света. Обычно ось пропускания (ось A − A ) поляризатора ориентируют под углом 90o к направлению поляризации падающего на анизотропную среду света ( β = 90o ). Тогда, при выборе угла α = π4 , интенсивность света, выходящего из модулято-

ра,	I = I0	sin2	Δϕ			,			(21.3)
где I0				2
	- интенсивность света, падающего на модулятор.
Если для управления разностью фаз									ϕ используется эффект
Поккельса, то
		sin2			π
	I = I0							rU ,	(21.4)
					λ0

где U −приложенное постоянное электрическое напряжение, r - величина, постоянная для данного кристалла. Напряжение, соответствующее значению ϕ = π, называется полуволновым напряже-

нием:

Uλ 2 = λ0 2r .

(21.5)

Полуволновое напряжение является основной характеристикой модулятора света, поэтому часто пользуются выражением

I = I		sin	2		π U
	0						.	(21.6)
					2 Uλ 2

Работа модуляторов света в различных системах передачи информации, как правило, заключается в модуляции света переменным сигналом. Если, например, используется модулирующий сиг-

нал U~ =U0 sin ω1t (U0 и ω1 −амплитуда и частота сигнала моду-

ляции), то интенсивность света на выходе модулятора будет иметь переменную составляющую I (рис. 21.3,а). Нетрудно видеть, что более выгодные условия модуляции будут иметь место при работе с

постоянным смещением 12 Uλ2 , т.е. когда UΣ = 12Uλ2 +U0 sin ω1t

192

(рис. 21.3,б). В таком случае рабочая точка A будет смещена на

наиболее крутой и линейный участок зависимости	I	(Δϕ).
	I0

Рис.21.3

Методика выполнения работы

Схема лабораторной установки приведена на рис. 21.4. На оптической скамье размещены гелий-неоновый лазер, электрооптический модулятор М и фотоприемник ФП. К модулятору подключен источник постоянного напряжения ИПП позволяющий менять полярность выходного напряжения. Значение напряжения контро-

лируется цифровым вольтметром V ВХ . Также к модулятору под-

ключен источник переменного напряжения, в качестве которого используется звуковой генератор ГНЧ. Фотоприемник соединен с усилителем У, который в свою очередь соединен с осциллографом

ЭО и цифровым вольтметром V ВЫХ .

193

Рис.21.4

Непрерывное излучение лазера с длиной волны 632,8 нм и мощностью около 1, 5 мВт поступает на модулятор. Интенсивность

выходящего из модулятора света регистрируется фотоприемником. Модулятор состоит из четырех электрооптических кристаллов и выходного поляризатора. Электрическое напряжение прикладывается к кристаллам с помощью внешних электродов. Для предохранения кристаллов от механического повреждения и действия влаги их вместе с электродами размещают в герметичной кювете, заполненной специальной жидкостью. Ось пропускания поляризатора

ориентирована под углом примерно 90o к направлению поляризации лазерного излучения.

Порядок проведения работы

Задание. Исследовать модуляции света.

1. Включите источник постоянного напряжения. Снимите зависимость интенсивности выходящего из модулятора света I от постоянного напряжения UВХ . При этом значение UВХ определяйте

194

по показанию прибора, подключенного к источнику постоянного

напряжения V ВХ , а величину							I 0 −по показанию прибора V ВЫХ ,
подключенного к усилителю, считая, что напряжение UВЫХ~														про-
порционально I 0 . Полученные результаты запишите в таблицу.
UВХ , В	-220	-210					-10	0	10				210	220
U ВЫХ~ , мВ

2. Постройте график зависимости UВЫХ~ от UВХ . Определите с

помощью графика величину полуволнового напряжения. Примерный вид графика показан на рис. 21.5.

Рис.21.5

Контрольные вопросы

1.Какие среды называются оптически анизотропными?

2.Объясните, почему длина волны в среде меньше длины волны

ввакууме в n раз, где n − показатель преломления среды.

3.Будет ли изменяться цвет светового пучка, пересекающий границу раздела двух прозрачных сред?

4.В чем заключается эффект Поккельса?

195

5.Что такое полуволновое напряжение?

6.Каковы преимущества работы электрооптического модулятора со смещенной рабочей точкой?

7.При вращении выходного анализатора A − A можно добиться усиления света, выходящего из анализатора. Приведет ли это к уве-

личению амплитуды переменного сигнала I ? 8. Выведите формулу 21.3.

196

Работа 22

ПРОХОЖДЕНИЕ СВЕТА СКВОЗЬ ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ ПЛЕНКИ

Цель работы: получение зависимости спектра пропускания тонкой пленки от длины волны падающего света; определение ширины запрещенной зоны и коэффициента преломления пленки из стекло-

образного полупроводника As 2 S 3 .

Введение

Стеклообразные полупроводники применяются в технике благодаря своим оптическим свойствам и относительной легкости изготовления. В частности, пленки стеклообразного селена используются в процессе ксерографии, сульфидные стекла, такие, как

As 2 S 3 применяются в качестве материалов, прозрачных в инфра-

красной области. Изменения в структуре стекол под действием видимого света дают основания рассчитывать на создание оптических запоминающих устройств большой емкости.

Многие оптические свойства кристаллических и стеклообразных полупроводников объясняет зонная теория.

Формирование зон идеального кристалла

Рассмотрим атом водорода. В центре атома находится ядро малых размеров – протон, с положительным элементарным зарядом e

(рис. 22.1).

Рис. 22.1

197

Масса протона значительно больше массы электрона, поэтому ядро можно считать неподвижным. Потенциальная энергия отрицательно заряженного электрона на расстоянии r от ядра

	EP = −	e2	.
		4πε0r

Электроны в изолированном атоме могут находиться только в состояниях с определенной энергией EP (рис. 22.1). В основном, невозбужденном состоянии атома, электрон занимает наиболее низкое по энергии состояние E1 . Пока атомы изолированы друг от

друга, они имеют полностью совпадающие схемы энергетических уровней.

При взаимодействии двух атомов вещества друг с другом их электроны перемещаются под влиянием объединенного электрического поля, и каждое состояние расщепляется на два, причем на энергетической шкале одно из них лежит ниже первоначального, другое выше (рис. 22.2).

Рис. 22.2

198

В соответствии с принципом запрета Паули, на каждом энергетическом уровне могут находиться не более двух электронов c противоположными направлениями спинов. Уровень также может быть свободным либо занятым одним электроном с произвольным спином. Заполнение уровней электронами осуществляется в каждом атоме независимо от заполнения аналогичных уровней в других атомах.

Когда большое число атомов находится вместе, как в кристалле, между ними возникает все усиливающееся взаимодействие, которое приводит к изменению положения уровней. Вместо одного одинакового для всех N атомов уровня возникают N очень близких, но не совпадающих уровней. Таким образом, каждый уровень изолированного атома расщепляется в кристалле на N густо расположенных уровней, образующих полосу или зону. В идеальном кристалле все состояния в зонах являются делокализованными, то есть «размазанными» по всему образцу.

Расщепление уровней присуще всем электронам атома, но величина расщепления для разных уровней не одинакова, для внутренних оболочек расщепление очень мало. Структуру зон определяют расщепляющиеся уровни валентных (внешних) электронов. Внутри зоны расстояние между уровнями порядка 1эВ/N, то есть очень мало.

Многие свойства кристаллов (электрические, магнитные, оптические) объясняются состоянием валентных электронов. Обычно рассматривают две энергетические зоны: соответствующую нормальному состоянию валентных электронов и ближайшую к ней зону – зону проводимости. Наиболее высокая по энергии заполненная электронами зона называется валентной, следующая за ней (уже пустая) - зона проводимости. Высший по энергии уровень ва-

лентной зоны называется краем валентной зоны и обозначается EV , наиболее низколежащий уровень зоны проводимости называется краем зоны проводимости и обозначается EC . Область энергий, в

которой в идеальном кристалле нет электронных состояний, называется запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны обозначает-

ся Eg и определяется как Eg = EC − EV . Ширина зон не зависит от

199

размеров кристалла, и чем больше атомов содержит кристалл, тем теснее располагаются уровни в зоне.

В зависимости от конкретных свойств атомов, равновесное расстояние между соседними зонами в кристалле может быть двух типов. В первом, между разрешенными зонами, возникшими из соседних уровней атома, имеется запрещенная зона. Во втором - происходит перекрывание соседних зон. Число уровней в такой слившейся зоне равно сумме количеств уровней, на которые расщепляются оба уровня атома.

Существование энергетических зон позволяет объяснить с единой точки зрения существование металлов, полупроводников и диэлектриков. В зависимости от степени заполнения валентной зоны электронами и ширины запрещенной зоны возможны три случая

(рис. 22.3).

Рис. 22.3

Вкаждом случае рассматриваются только две самые высокие зоны. Зоны, которые находятся ниже, полностью заполнены электронами и не представляют интереса. Валентные электроны заполняют попарно нижние уровни валентной зоны. Более высокие разрешенные зоны будут свободны от электронов.

Вметаллах электроны заполняют валентную зону не полностью (рис. 22.3,а). Поэтому достаточно сообщить электронам, находящимся на верхних уровнях валентной зоны, совсем небольшую

200