ZAGADNIENIA TEORETYCZNE:

1. Metody polaryzacji światła:

1. Polaryzacja światła przez odbicie.

Liniową polaryzacje światła można uzyskać stosując odbicie od przezroczystych dielektryków. Niech promień AO pada na powierzchnię MM', rozgraniczająca dwa ośrodki przezroczyste np. powietrze i szkło. Promień OB jest promieniem odbitym, promień OC -promieniem załamanym. W tych warunkach, jakie wykazuje doświadczenie promień odbity, jak i załamany są częściowo spolaryzowane. Przy zmianie kąta padania zmienia się stopień uporządkowania drgań wektora E (wektor świetlny) świetle odbitym i w świetle załamanym. Brewster wykazał, że jeśli promień odbity i załamany tworzą kąt 90⁰, to promień odbity jest całkowicie liniowo spolaryzowany. Stosując prawa odbicia i załamania światła można prawo Brewstera podać w innej postaci:

Innymi słowy, całkowita polaryzacja podczas odbicia występuje przy takim kącie padania którego tangens równa się współczynnikowi załamania. Taki kąt padania nazywamy kątem Brewstera. (α_B)

Promień pada­jący jest niespolaryzowany. Drgania wektora świetlnego w promieniu odbitym odby­wają się w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania. Odbicie promienia niespolaryzowaneg od płytki występuje zawsze niezależnie od jej ustawienia. Płytkę można obracać dokoła promienia padającego jako osi zachowując kąt padania Brew­stera, nie powodując zaniku promienia odbitego.

2. Polaryzacja przez podwójne załamanie

Z wąskiej wiązki promieniowania powstaje pojedyncza wiązka załamana, do której sto­sują się oba podstawowe prawa załamania. Inaczej sprawa się przedstawia przy przejściu promieni przez ośrodki anizotro­powe optycznie, np. przez kryształy (z wyjątkiem kryształów należących do układu regularnego, jak np. sól kuchenną NaCI). W tych warunkach powstają na ogół dwie wiązki załamane. Stąd nazwa - zjawisko podwójnego załamania. Rozpatrzmy to zja­wisko na przykładzie przejścia promieni przez kryształy szpatu islandzkiego (kalcytu), czyli związku o składzie chemicznym CaCO3.

Doświadczenia można przeprowadzać rzucając promienie prostopadle na płytki prostopadłościenne (odpowiednio oszlifowane) rozmaicie wycięte względem osi sy­metrii kryształu. Wynik załamania przy przejściu przez takie płytki krystaliczne ba­damy na ekranie ustawionym poza płytką. Okazuje się, że w przypadku, gdy płytka jest wycięta prostopadle do osi łączącej tępe naroża kryształu (AB na rys.), pro­mień padający prostopadle na powierzchnię płytki nie ulega podwójnemu załamaniu. Na ekranie otrzymujemy pojedynczą plamkę świetlną. Oś AB jest osią główną krysz­tału. Każdy kierunek równoległy do AB stanowi kierunek tzw. osi optycznej, tzn. taki kierunek, w którym promienie przechodzą przez kryształ bez podwójnego załamania.

Szpat islandzki i inne kryształy, w których istnieje tylko jeden kierunek biegu pro­mienia bez podwójnego załamania, nazywamy kryształami jednoosiowymi.

Rzućmy promień światła naturalnego prostopadle na powierzchnię płytki płasko­ równoległej, wyciętej z kryształu jednoosiowego. Niech 00' będzie kierunkiem osi optycznej kryształu. Wtedy w płaszczyźnie rysunku otrzymamy w płytce dwa promienie: jeden - przechodzący bez załamania wzdłuż przedłużenia biegu promienia padającego, i drugi - promień załamany, wychodzący z płytki równolegle do promienia pierwszego. Oba promienie dadzą na ustawionym dalej ekranie E dwie jasne plamki. Obracajmy płytkę dokoła Promienia padającego jako osi. Okazuje się, że pierwszy ślad na ekranie, a mianowicie plamka Z, nie zmienia swego położenia, podczas gdy plamka N okrąża plamkę Z zakreślając koło. Promień wytwarzający plam­kę Z nosi nazwę promienia zwyczajnego. Stosuje się on do praw załamania, które obo­wiązują w ośrodkach izotropowych, a więc padając prostopadle na kryształ wnika w niego bez załamania; przy innym kącie padania α załamuje się pod kątem β, przy czym spełniona jest zależność,

gdzie n_o jest wielkością stałą dla danego rodzaju promieniowania, niezależną od kie­runku padania promienia, i stanowi współczynnik załamania promienia zwyczajnego. Ogólnie przyjęte jest stosowanie dla promienia zwyczajnego indeksu literowego. Tak, więc n_o i v_o są to odpowiednio współczynnik załamania i prędkość promienia zwyczajnego. Promień zwyczajny leży w płaszczyźnie padania.

Drugi promień, zwany nadzwyczajnym (indeks literowy "e"), dający plamkę N, ma inne właściwości: 1) nie leży na ogół w płaszczyź­nie padania, 2) stosunek sin α do sinβ nie ma wartość stałej i nie jest przyjmowany jako określenie współczynnika załamania. Promień nadzwyczajny leży w płaszczyźnie wyznaczonej przez kierunek osi optycznej i normalną padania. Tym się tłumaczy przesuwanie się plamki pochodzącej od promienia nadzwyczajnego przy obrocie płytki dokoła promienia padającego jako osi. Zmienia się przy tym w sposób ciągły położenie płaszczyzny wyznaczonej przez kierunek osi optycznej i normalną padania, a tym sa­mym zmienia się położenie promienia nadzwyczajnego.

2. Prawo Malusa

Prawo Malusa określa natężenie I promieniowania wychodzącego z nikola- analizatora w zależności od kąta α, jaki tworzą ze sobą płaszczyzna drgań promienia padającego na analizator

3. Lasery półprzewodnikowe

Materiałem aktywnym w laserach półprzewodnikowych jest arsenek lub fosforo-arsenek galu. W ciałach tych istnieje większe niż w innych półprzewodnikach prawdopodobieństwo, że elektrony wzbudzone do pasma przewodnictwa mogą z powrotem spaść do pasma walencyjnego z emisją kwantu promieniowania. Jak to się dzieje, objaśniają rysunki 1, 2 i 3. Dwa pierwsze stanowią o właściwościach półprzewodników, wyrażonych schematem teorii pasmowej, jak również właściwości złącza p_n. Rysunek 3 pokazuje, jak się dokonuje ciągła rekombinacja elektronów i dziur, która jest źródłem emisji fotonów.

Otóż do tego celu elektrony muszą być wstrzykiwane do pasma przewodnictwa na złączu p-n. Odbywa się to w złączu p-n, wytworzonym np. w arsenku galu, przez przepuszczenie prądu elektrycznego w kierunku łatwym, tj. od p do 11. Elektrony przechodzą z obszaru n w kierunku ob­szaru p, spotykają na złączu puste stany w paśmie walencyjnym i rekom­binują z emisją fotonów. Światło emitowane w czystym arsenku galu ma długość fali około 8400 A-9000 A, zależną dość silnie od temperatury materiału. Jest to, więc bliska podczerwień. W fosforo-arsenku galu emisja przechodzi w zakres czerwieni, zależnie od zawartości fosforu.

Aby rozwinąć akcję laserową na złączu p-n, konieczne jest zastoso­wanie układu zwierciadeł Fabry'ego-Perota. Osobliwością lasera pół­przewodnikowe go jest to, że rolę zwierciadeł przejmują tu dwie wypolerowane ściany kryształu prostopadłe do płaszczyzny złącza. Wiązka promieniowania laserowego wytwarza się, więc w złączu prostopadle do

Rys. 1. Elektrony w ciele stałym mogą przyjmować stany energetyczne, należące do dwóch pasm: pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa (a). Przewodzenie prądu elektrycznego może odbywać się wtedy, gdy w paśmie przewodnictwa znajdują się elek­trony (przewodnictwo nadmiarowe, półprzewodnik typu n) lub gdy w paśmie walencyj­nym są luki, czyli "dziury" (przewodnictwo dziurowe, półprzewodnik typu p). Oba te stany wytworzyć mogą pewne atomy domieszkowe, zwane do norami w pierwszym przypadku (b) lub akceptorami w drugim przypadku (c)

Rys. 2. Złącze p-n. Z lewej strony półprzewodnika wprowadzono donory, z prawej -­akceptory. Wskutek tego w lewej części półprzewodnika nośnikami prądu są prawie wyłącznie elektrony ( -), w prawej - dziury ( +), Zetknięcie tych dwóch typów półprzewodnika powoduje dyfuzję nośników: elektronów od n do p, dziur zaś - od p do n. Na skutek tej dyfuzji energia elektronu (proporcjonalna do po­tencjału ze znakiem minus) obniża się w części n, podwyższa się zaś w części p. Przerwa energetyczna, czyli pasmo zabronione, wygina się, jak na rysunku. Niesymetria ta tłumaczy właściwości prostownicze złącza.

Rys. 3. Jeśli do złącza p-n przyłożyć różnicę potencjałów skierowaną od p do n, energia elektronu podwyższa się w obszarze n, a obniża w obszarze p. Wskutek tego wygięcie przerwy energetycznej staje się łagodniejsze i nośniki prądu obu znaków płyną ku obsza­rowi spojenia; jest to tzw. łatwy kierunek płynięcia prądu. W obszarze spojenia ele­ktrony spadają do luk w paśmie walencyjnym.

4. Fotoogniwo i fotodioda.

Fotoogniwo jest przyrządem o stosunkowo dużej powierzchni oświetlonej. Złącze p-n znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie (na głębokości rzędu 1μm) oświetlanej powierzchni. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycz­nej półprzewodnika powodują powstanie, w miejscu gdzie są pochłaniane, par ełektron-dziura. Pole elek­tryczne wewnątrz półprzewodnika, związane z obec­nością złącza p-n, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury zaś do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrzne­go napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone noś­niki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświe­tlone złącze działa jako ogniwo elektryczne.

Fotodioda jest również elementem półprzewodnikowym ze złączem p-n. Teraz jednak złącze jest spola­ryzowane wstępnie w kierunku zaporowym. Wskutek oświetlenia prąd zaporowy złącza jest modulowany przez powstające w złączu pary elektron-dziura, co powoduje odpowiednie zmiany nieliniowego oporu tego złącza.