Излучающие и приёмные элементы. (Тема 2.2) презентация

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. ТЕМА 2.2. Излучающие и приёмные элементы. Выполнили студенты группы фб-31 Кравченко И., Кузнецов М.

Содержание темы. Краткая теория Формулы для решения задач Контрольные вопросы Примеры решения задач Задачи для самостоятельного решения Тест Список литературы.

Краткая теория. Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, занимающийся вопросами генерации, переноса(передачи и приёма), переработки (преобразования), запоминания и хранения информации на основе использования двойных(электрических и оптических) методов и средств.

Полупроводниковые излучатели Полупроводниковые излучатели инжекционные электролюминесцентные (светодиоды) (электролюминафоры)

Устройство светодиода.

Устройство люминесцентной лампы.

Основные материалы для светодиодов.

Оптроны. Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приёмник излучения (светоизлучатель и фотоприёмник) с тем или иным видом оптической или электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Устройство оптрона.

Типы оптронов.

Формулы, необходимые для решения задач. 1. Связь энергии Е и импульса р фотона с частотой и волновым вектором k, электромагнитной волны: (2.2.1) (2.2.2) 2. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: (2.2.3) 3. Изменение длины волны фотона в результате комптоновского рассеяния: (2.2.4)

4. При прохождении электромагнитной волны через кристаллическую пластинку (одноосный кристалл), вырезанную параллельно оптической оси, разность фазовых набегов обыкновенной волны (вектор Е параллелен главной плоскости, содержащей луч и оптическую ось) и необыкновенной волны(вектор Е перпендикулярен главной плоскости) равна: 4. При прохождении электромагнитной волны через кристаллическую пластинку (одноосный кристалл), вырезанную параллельно оптической оси, разность фазовых набегов обыкновенной волны (вектор Е параллелен главной плоскости, содержащей луч и оптическую ось) и необыкновенной волны(вектор Е перпендикулярен главной плоскости) равна: (2.2.5)

Контрольные вопросы. Что такое оптоэлектроника? Назовите основные виды оптоэлектроники. Что такое оптрон? Назовите основные виды полупроводниковых источников излучения. Опишите принцип действия светодиода.

Тест. Что называется внутренним фотоэффектом? Явление возникновения электродвижущей силы под действием света, падающего на границу металл-проводник. Явление перехода электронов из связанного состояния в свободное внутри полупроводника под действием света. Эмиссия электронов с поверхности полупроводника под действием света. Вырывание электронов из вещества под действием света.

2. Как изменится интенсивность испускания электронов цинковой пластиной при облучении ее сначала видимым, а потом ультрафиолетовым светом? 2. Как изменится интенсивность испускания электронов цинковой пластиной при облучении ее сначала видимым, а потом ультрафиолетовым светом? Уменьшится. Увеличится. Не изменится. Нет однозначного ответа.

3. Какое из уравнений выражает уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта? 3. Какое из уравнений выражает уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта?

4. От чего зависит скорость вылетевших из металла электронов: 4. От чего зависит скорость вылетевших из металла электронов: От интенсивности падающего светового потока. От частоты падающего светового потока. От значения задерживающего потенциала. От работы выхода электрона из металла. От всех параметров, перечисленных выше. a) 1. b) 3, 4. c) 4. d) 2. e) 5.

5. На рис. приведена схема 5. На рис. приведена схема энергетических уровней атома. Определите, при каком переходе энергия излучения максимальна. Е6 → Е2. Е1 → Е6. Е3 → Е4. Е4 → Е3. Е6 → Е3.

6. Какой основной закон природы выражает уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: а) закон сохранения импульса; б) закон сохранения энергии; в) закон сохранения массы? 6. Какой основной закон природы выражает уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: а) закон сохранения импульса; б) закон сохранения энергии; в) закон сохранения массы? а. b) б. c) в. d) а, б. e) б, в.

Ответы.

Примеры решения задач: Излучение гелий-неонового лазера мощностью W=1 МВт сосредоточено в пучке диаметром d=0,5 см. Длина волны излучения λ=0,63 мкм. Определить плотность потока фотонов в пучке.

№1. №1. Решение: Мощность потока излучение равна: (1) где n – плотность потока фотонов, с – скорость света, h – постоянная Планка. Из уравнения (1) выразим плотность: (2) [Вт/. Ответ: плотность потока фотонов равна 8,08* Вт/.

Показать, что законы сохранения энергии и импульса приводят к тому, что свободный электрон не может поглощать фотоны или излучать их.

№2. Решение: №2. Решение: Рассмотрим сначала нерелятивистский случай. Пусть в выбранной нами системе координат электрон до столкновения покоился. Законы сохранения в этой системе выглядят следующим образом: (1) (2) Деля первое соотношение на второе, имеем , то есть получаем нефизический результат, так как скорость электрона после поглощения не зависит от частоты (энергии) кванта, да и к тому же принимает значение 2с! Теперь покажем, что и релятивистское рассмотрение не спасает дела: (3) (4)

Отсюда немедленно следует, что Отсюда немедленно следует, что (5) или (6) Что может иметь место только при =0 или =1. Опять результат абсурдный. Следовательно, использованные здесь уравнения несовместны. Это означает, что процесс поглощения фотона свободным электроном невозможен, поскольку для такого процесса не могут одновременно выполняться законы сохранения энергии и импульса. Аналогично можно убедиться, что и излучение фотона свободным электроном также невозможно.

Показатель преломления кристаллического кварца для длины волны λ = 589 нм равен = 1,544 для обыкновенного луча и = 1,553 для необыкновенного луча. На пластинку из кварца, вырезанную параллельно оптической оси, нормально падает линейно поляризованный свет указанной длины волны, занимающий спектральный интервал = 40 нм. Найти толщину пластинки d и направление поляризации падающего света, если свет после пластинки оказался неполяризованным. Показатель преломления кристаллического кварца для длины волны λ = 589 нм равен = 1,544 для обыкновенного луча и = 1,553 для необыкновенного луча. На пластинку из кварца, вырезанную параллельно оптической оси, нормально падает линейно поляризованный свет указанной длины волны, занимающий спектральный интервал = 40 нм. Найти толщину пластинки d и направление поляризации падающего света, если свет после пластинки оказался неполяризованным.

№3. №3. Решение: Свет на выходе пластинки оказывается неполяризованным если, во-первых, разность хода двух взаимно перпендикулярных компонент светового пучка, ориентированных вдоль главных направлений пластинки, окажется больше длины когерентности. (1) Во-вторых, амплитуда колебаний этих компонент равны, то есть =. Выразим из уравнения (1) толщину пластинки d: [м]=1[мм] Ответ: толщина пластины равна 1 мм.

Задачи для самостоятельного решения. Луч терапевтического твердотельного лазера может развивать мощность до 10 Вт. Найти длину волны излучения лазера, полагая, что он излучает около 2∙1020 фотонов в секунду.

№1. №1. Дано: Решение: W = 10 Вт Мощность излучения лазера: n = 2* (1) t = 1 c. Энергия фотона лазерного излучения: = ? (2) Подставляя (2) в (1) получим: (3) Выразим из (3) длину волны: (4) [м] Ответ: длина волны равна 39,6* м.

2) При фотоэффекте с платиновой поверхности электроны полностью задерживаются разностью потенциалов U = 0,8 В. Найти длину волны применяемого облучения и предельную длину волны , при которой ещё возможен фотоэффект.

№2. №2. Дано: Решение: U = 0,8 В Запишем закон сохранения энергии: =? (1) =? Выразим из уравнения (1) длину волны: (2) Предельную длину волны , при которой ещё возможен фотоэффект найдём из выражения: (3) Выразим из (3): Ответ: длина волны приемного облучения равна 204 нм, предельная длина волны равна 234 нм.

3) Определить красную границу фотоэффекта для серебра, у которого работа выхода равна 4,74 эВ.

№3. №3. Дано: Решение: Работа выхода вычисляется по формуле: (1) где максимальная длина волны при которой возможен фотоэффект. Выразим из формулы (1) (2) Ответ: красная граница фотоэффекта для серебра равна 670 нм.

Список литературы. Лихтер А. М., Смирнов В.В. Физические основы оптико-электронных измерений. Астрахань, 2005. – 288 с. Ландсберг Г.С. Оптика. М., 2003. – 848 с. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., 1973. – 713 с. Задачи по общей физике / В.Е. Белонучкин, Д.А. Заикин, А.С. Кингесеп и др. М., 2001. – 336 с. Сборник задач по теоретической физике / Л.Г. Гречко, В.И. Сугаков, О.Ф. Томасевич и др. М., 1984. – 321 с.