Ю.Н. Коркишко, С.М. Кострицкий, В.А. Фёдоров

Учебно- методические разработки для лабораторного практикума по курсу «Квантовая и оптическая электроника»

Под редакцией

доктора физико-математических наук, профессора

С.М. Кострицкого

Москва 2007

Оглавление

Лабораторная работа №1. Определение параметров анизотропных кристаллов из оптических спектров поглощения ……………………………………….. 3

Лабораторная работа №2. Определение вольтамперной характеристики суперлюминесцентного диода на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур…….. 13

Лабораторная работа №3. Измерение эффективных показателей преломления тонкопленочных оптических волноводов с помощью метода призменного ввода. Расчет показателя преломления и толщины…………………………. 23

Лабораторная работа №4. Спектральные свойства волоконных брэгговских решеток…………………………………………………………………….. 31

Лабораторная работа № 1

Определение параметров анизоторопных кристаллов из оптических спектров поглощения

Цель работы Экспериментальное измерение поляризованных спектров оптического пропускания в видимом и ближнем УФ диапазонах для монокристаллической пластины. Расчет коэффициентов отражения, преломления и поглощения, а также ширины запрещенной зоны кристаллы из измеренных спектров.

Приборы и принадлежности Спектрофотометр “Specord M40”, два фотометрически идентичных держателя образцов, пленочный поляризатор, исследуемый кристалл.

1. Измерение оптической плотности

Количественный анализ по электронным спектрам поглощения основан на зависимости относи­тельной величины интенсивности светового потока, прошедшего через образец, от толщины образца, определяемой законом Бугера - Ламберта. В аналитической практике он используется обычно в логарифмической форме

(1)

где I₀ и I - интенсивности падающего и прошедшего монохроматического светового потока через образец толщиной l. Величина , зависящая от частоты моно­хроматического излучения, называется десятичным показателем поглощения. Толщину образца принято выражать в сан­ти­метрах, а параметр называют коэффициентом поглощения, или экстинкцией. Тол­щина образца и коэффициент поглощения могут быть измерены и в других единицах. При проведении количественного ана­лиза кристаллов, представляющих многокомпонентные твердые рас­творы, следует учитывать, что молекулы одного компонента могут взаимодейство­вать с молекулами других компонентов. Такое взаимодействие может привести к существенным изменениям по­глоща­тельной способности компонентов, причем эти изменения неодинаковы в разных участках спек­тра.

При проведении абсорбционного анализа с использованием закона Бугера - Ламберта необходимо измерить зависимость интенсивностей входящего и выходящего из образца световых потоков от длины волны монохроматического излучения. Основная труд­ность при таких измерениях состоит и том, что ослабле­ние интенсивности света при про­хождении через образец связано не только с поглощением его растворенным веществом, но и с отражением света от поверхностей образца, а также в результате рассеяния света в объеме образца и на его поверхностях.

Пусть на образец в направлении, перпендикулярном его поверхностям, падает пу­чок монохроматического света с интенсивностью I_i. Обозначим через I_a и I_b интенсивности света поглощен­ного соответственно образцом и держателем образца, а через Ir и I_s - суммарные интенсивности отра­женного от поверхностей образца и рас­сеянного света. Тогда интенсивность света после прохождения через кю­вету можно оп­ределить из уравнения:

I=I_i -(I_a +I_b +Ir +I_s ) (2)

Аналогично интенсивность света после прохождения его через пустой держатель будет равна

I₀=I_i -( (3)

При спектрофотометрических измерениях обычно производятся измерения отношения интенсивностей мо­нохроматизированного излучения, прошедшего через образец (рабочий канал) и че­рез пустой держатель образца (канал сравнения). Таким образом, измеренная величина пропускания равна:

(4)

В то же время истинная величина пропускания Т, характеризующая поглощательную способ­ность вещества, будет:

(5)

Из уравнений (4) и (5) видно, что измеренные и истинные величины пропускания равны друг другу при ус­ловии, если:

(6)

Строго говоря, это равенство может использоваться только в расчетах с нулевым приближением. Най­дем условия, при которых различия величин отражения и рассеяния в рабочем канале и канале сравнения могут быть корректно учтены.

В общем случае ослабление света из-за его рассеяния в образце и на поверхностях образца рассчитать трудно. Поэтому при проведении количественного анализа следует применять кристаллы без загрязнений, а также исполь­зовать кристаллы с хорошо отполированными поверхностями. Тогда по­тери на рассеяние в рабочем канале незначительны и можно считать, что  0.

Таким образом, при использовании двух тождественных держателей, путем измерения свето­вых потоков, прошед­ших через рабочий канал и канал сравнения можно определить вели­чину пропускания образца:

² (7)

где R – коэффициент отражения света на границах раздела «воздух – образец» и «образец – воздух».

Помимо описанного метода в некоторых случаях для определения пропускания образца Т применяется ме­тод, основанный на сравнении интенсивностей световых потоков I₁ и I₂, прошедших через образцы, содер­жащие один и тот же кристалл, но имеющие различные толщины l₁ и l₂. В этом случае

(8)

т. е. измеряется пропускание образца толщиной

Последний метод позволяет компенсировать влияние отражения и рассеяния рассеяния света на поверхностях образца, но требует использования воспроизводимой техники полировки поверхностей. Этот метод наиболее широко применя­ется при исследовании погло­щения некристаллических твердых веществ.