Российская Академия наук
Учреждение Российской академии наук
Санкт-Петербургский Академический университет –
научно-образовательный центр нанотехнологий РАН
Методические указания для преподавателей
по организации выполнения различных видов практических заданий и самостоятельных работ, планируемых в процессе изучения курса ТС6
«Измерение характеристик светоизлучающих полупроводниковых приборов»
Методические рекомендации разработаны д. ф.-м. н.
Санкт-Петербург
2011 г.
Методические указания для выполнения различных видов практических заданий и самостоятельных работ, планируемых в процессе изучения курса «Измерение характеристик светоизлучающих полупроводниковых приборов»
2. Тексты практических задач, конкретных ситуаций, других видов практических заданий по темам курса и методические рекомендации по их выполнению
На протяжении всего курса занятия проходят в следующем формате:
· Лекционные занятия: слушателям в устной форме излагается материал.
· Семинар: перед слушателями ставятся вопросы, для ответа на которые у них нет всей исчерпывающей информации. Задача слушателей: на основе имеющихся у них данных сформулировать наиболее оптимальные решения поставленных задач.
· Лабораторные работы: слушатели под руководством преподавателя проводят измерения различных характеристик полупроводникового лазерного диода.
· Защита лабораторных работ: преподаватель проверяет понимание слушателями проделанной работы.
К теме 1. Физические основы испускания света веществом.
По теме 1 не предусмотрено выполнение практических заданий. Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа в виде подготовки к итоговому тесту с применением лекционного материала, рекомендованной литературы и Интернет-ресурсов.
Методические рекомендации по лекционному занятию.
Задача преподавателя состоит в том, чтобы сформировать у слушателей цельную картину современного состояния развития светоизлучающих приборов, принципов их работы, их особенностей и применения. Слушатели должны понимать связь физических принципов работы прибора с его базовыми характеристиками. Для введения слушателей в курс преподавателям рекомендуется дать небольшой обзор материала, уже известного слушателям (электромагнитное излучение, шкала длин волн, понятие светового излучения, кривая видимости глаза, тепловое излучение, люминесценция, испускание, поглощение и усиление света веществом). Так как основной лабораторный практикум касается характеристик полупроводниковых лазерных диодов, рекомендуется подробно остановиться на обзоре физических принципов работы лазеров и физики полупроводников.
К теме 2. Методические основы измерений характеристик светоизлучающих приборов. Техника безопасности.
Тема 2 предполагает лекцию по методическим основам измерений и семинар, посвященный правилам техники безопасности при работе с лазерными источниками излучения и электрооборудованием с напряжением до 1000 В. Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа в виде подготовки к итоговому тесту с применением лекционного материала, рекомендованной литературы и Интернет-ресурсов.
Методические рекомендации по лекционному материалу.
Задача преподавателя состоит в том, чтобы дать слушателям обзор общих принципов и методов измерений, а также подробнее остановиться на методических особенностях измерений характеристик светоизлучающих приборов. После освоения данного материала слушатели должны иметь представление об оптической и принципиальной схеме основных тестовых испытаний полупроводниковых лазерных диодов, методике проведения измерений, методах математической обработки данных, критериях оценки достоверности полученных результатов.
Часть лекции рекомендуется посвятить правилам техники безопасности при работе с лазерными источниками излучения и электрооборудованием с напряжением до 1000 В. Важно донести до слушателей основные сведения об источниках опасности и методах защиты. В результате усвоения материала слушатели должны иметь представление об опасностях лазерного излучения, классификации лазерных источников по степени опасности, средствах защиты. Несколько сокращенно рекомендуется изложить слушателям правила работы с электрооборудованием с напряжением до 1000 В. Также слушатели должны знать алгоритмы действий в экстренных ситуациях, при поражении электрически током или лазерным излучением.
Преподавателям рекомендуется ориентироваться на следующие источники.
Рекомендуемая литература по методическим основам измерений:
1. «Теория измерений для инженеров», М. Мир, 1989.
2. «Теория измерений», М. Мир, 1976.
3. , , «Математическая статистика», учеб. пособие для втузов — М.: Высш. шк. 1984.
Рекомендуемая литература по правилам техники безопасности:
1. , , «Электробезопасность при эксплуатации электроустановок напряжением до 1000В», В: Справочник, М.: Воениздат 1988.
2. «Справочнки по лазерной технике», М.: Энергоиздат, 1991.
3. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров № 000-81.
4. ГОСТ 12.1.040-83 (1996) ССБТ. Лазерная безопасность.
Методические рекомендации по проведению семинара.
Задача семинара состоит в том, чтобы предложить слушателям проанализировать модельную ситуацию с точки зрения опасности и найти оптимальные решения на основе имеющейся у них информации. Рекомендуется задавать вопросы, моделирующие критическую или бытовую ситуацию, и интересоваться мнением различных слушателей, тем самым приглашая слушателей оппонировать друг другу, приводить доводы и аргументы. Также важно озвучивать правильные ответы. Семинар несет контрольную функцию, преподаватель оценивает знания слушателей правил техники безопасности и может не допустить слушателя к выполнению лабораторных работ в случае неудовлетворительного владения последнего материалом (в данном случае рекомендуется провести дополнительный опрос и инструктаж слушателя перед началом выполнения лабораторных работ).
Примеры вопросов для проведения семинара:
1. Какие источники излучения опаснее: видимого или невидимого диапазона?
2. С точки зрения методики измерений оптических характеристик: рекомендуется увеличить или уменьшить освещенность в помещении? А с точки зрения техники безопасности?
3. Каким образом можно провести юстировку оптической схемы, если при этом требуется работа мощного источника излучения?
4. Ваши действия при выходе из строя электрооборудования?
5. Что опаснее непрерывное или импульсное лазерное излучение?
6. Как можно избежать нежелательных бликов от мощного источника излучения?
К теме 3. Ватт-Вольт-Амперные характеристики полупроводникового лазерного диода.
В рамках темы 3 предусмотрено выполнение лабораторной работы «Измерение Ватт-Вольт-Амперных характеристик полупроводникового лазерного диода» - 1,5 часа аудиторной работы, 1 час самостоятельной работы (подготовка и написание отчета).
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы.
Цель выполнения данной работы состоит в освоении слушателями навыков измерений электрических и оптических характеристик лазерных (светоизлучающих) инжекционных диодов и более глубоком усвоении физических принципов работы таких устройств.
Для достижения этой цели слушателям предлагается произвести измерения Ватт-Вольт-Амперных характеристик полупроводникового полоскового лазерного диода при различных температурах.
Описание установки для измерения вольт-амперных и ватт-амперных характеристик полупроводниковых лазеров
Установка для измерения вольт и ватт-амперных характеристик включает в себя источник тока, фотодиод, регистрирующее устройство и обслуживающий персональный компьютер.
При исследовании лазеров в неперерывном режиме накачки теплоотвод вместе с лазерным чипом укреплялся на элементе Пельтье, температура которого поддерживается постоянной с помощью контроллера. Считывание сигнала с фотодиода и значения тока накачки производятся непосредственно в компьютер.
Для исследования ватт и вольт-амперных характеристик в импульсном режиме в качестве регистрирующего устройства вместо компьютера используется осциллограф. Обычно при импульсной накачке исследуются ненапаянные на теплоотвод приборы. Частота следования импульсов составляет 1 кГц, длительность — 400-800 нс. Сигнал с источника тока подается на вход 1 осциллографа, по которому осуществляется развертка, а сигнал с фотодетектора на вход 2. Плотность порогового тока считывается с экрана осциллографа.
При измерении ватт-амперных характеристик лазер размещается так, чтобы все излучение попадало на фотоприемник или на болометр. Если это сделать невозможно, то фотоприемник и лазер подключаются к интегрирующей сфере.
Источник тока управляется с компьютера. Изменяя величину тока, протекающего через лазер и детектируя мощность излучения, получают ватт-амперные характеристики. Особое внимание в данном эксперименте нужно уделять температурной стабилизации, поскольку ток через лазер меняется, а вместе с этим меняется и выделяемая тепловая мощность, что в свою очередь влияет на систему обратной связи блока термостабилизации. Так же необходимо представлять характерные величины пороговых токов для исследуемых лазеров, чтобы не подать слишком большой ток.
В задачи преподавателя входит инструктаж слушателей курса, демонстрация оборудования, ответы на вопросы слушателей и экзаменация слушателей при защите лабораторной работы.
Преподаватель
· заранее готовит 3-5 образцов (на случай повреждения образцов) полупроводникового полоскового лазерного диода, предварительно напаянных на теплоотводы,
· показывает и объясняет метод монтажа теплоотвода,
· показывает метод юстировки оптической схемы,
· Знакомит с расположение и особенности работы оборудования.
Программа-минимум для слушателей заключается в измерении Ватт-Вольт-Амперных характеристик при различных температурах и ограниченных плотностях тока (около 5 пороговых значений), чтобы избежать преждевременной деградации приборов. При успешном и своевременном выполнении этой задачи преподаватель может поставить дополнительную задачу: измерение Ватт-Амперная характеристики вплоть до максимальных значений при заданной температуре.
В задачи слушателей входит:
1. монтаж теплоотводов с лазерами на испытательном стенде;
2. юстировка оптической схемы;
3. выполнение измерений Ватт-Вольт-Амперных характеристик при различных температурах (3-4 точки в диапазоне 25-85С);
4. дополнительный пункт: измерить Ватт-Амперную характеристику при больших плотностях тока (вплоть до разрушения зеркал);
5. определение рабочих характеристик лазерного диода: порогового тока, дифференциальной эффективности, дифференциального сопротивления;
6. написание отчета и его защита (ответы на вопросы преподавателя);
Слушатели готовят отчет по лабораторной работе, который должен содержать:
1. цель работы;
2. принципиальная схема установки;
3. полученные результаты;
4. температурные зависимости плотности порогового тока, дифференциальной эффективности, дифференциального сопротивления;
5. выводы.
При защите лабораторных работ преподавателю рекомендуются задавать вопросы, касающиеся физики работы прибора и наблюдаемых явлений, а также по методике измерений. Слушатели должны уметь объяснить полученные результаты, понимать выбор методики и средств измерений.
Примеры вопросов:
1. Как вы можете объяснить температурную зависимость плотности порогового тока (дифференциальной эффективности, дифференциального сопротивления)?
2. Что определяет плотность порогового тока (дифференциальной эффективности, дифференциального сопротивления) в полупроводниковом инжекционном лазере?
3. Что ограничивает максимальную мощность в полупроводниковом лазерном диоде?
4. Рассчитайте, пожалуйста, КПД прибора в заданной рабочей точке.
К теме 4. Спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера.
В теме 4 предусмотрено выполнение лабораторной работы «Измерение спектральных характеристик излучения полупроводникового лазера» - 1,5 часа аудиторной работы, 1 час самостоятельной работы (подготовка и написание отчета).
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы.
Цель выполнения данной работы состоит в освоении слушателями навыков измерений спектральных характеристик лазерных (светоизлучающих) инжекционных диодов, овладении навыками работы со спектральными оптическими приборами и более глубоком усвоении физических принципов работы светоизлучающих приборов.
Для достижения этой цели слушателям предлагается произвести измерения спектров излучения полупроводникового полоскового лазерного диода при различных плотностях рабочего тока.
Описание установки для изучения спектров лазерной генерации
Установка для исследования спектров лазерной генерации состоит из монохроматора ЛОМО МДР-23 и подвижки, на которую устанавливается лазер. Излучение лазера собирается на входной щели монохроматора с помощью конденсора. Разложенное в спектр излучение после монохроматора регистрируется германиевым фотодиодом. Регистрация сигнала производится методом синхронного детектирования. Для поддержания температуры прибора так же используется элемент Пельте, управляемый с помощью контроллера.
Управление монохроматором, оцифровка сигнала и запись спектра осуществляется микропроцессорным контроллером «Униспек», управление которым осуществляется с помощью компьютера.
В задачи преподавателя входит инструктаж слушателей курса, демонстрация оборудования, ответы на вопросы слушателей и экзаменация слушателей при защите лабораторной работы.
Преподаватель
· заранее готовит 3-5 образцов (на случай повреждения образцов) полупроводникового полоскового лазерного диода, предварительно напаянных на теплоотводы, и с заранее известной Ватт-Амперной характеристикой,
· показывает и объясняет метод монтажа теплоотвода,
· показывает метод юстировки оптической схемы,
· демонстрирует расположение и особенности работы оборудования.
В рамках лабораторной работы слушатели должны измерить спектры излучения полупроводникового полоскового лазерного диода при различных плотностях тока накачки, начиная от токов ниже порогового и заканчивая 5-7 плотностями порогового тока.
В задачи слушателей входит:
1. монтаж теплоотводов с лазерами на испытательном стенде;
2. юстировка оптической схемы;
3. выполнение измерений спектров излучения лазерных диодов (5-6 точек);
4. определение спектральных характеристик излучения лазерного диода: длина волны максимума излучения, полуширина пика излучения, интенсивность основного пика, RMS (средне квадратичное значение) пика лазерного излучения;
5. написание отчета и его защита (ответы на вопросы преподавателя);
Слушатели готовят отчет по лабораторной работе, который должен содержать:
1. цель работы;
2. принципиальная схема установки;
3. полученные результаты;
4. зависимости спектральных характеристик излучения лазера от плотности рабочего тока;
5. выводы.
При защите лабораторных работ преподавателю рекомендуются задавать вопросы, касающиеся физики работы прибора и наблюдаемых явлений, а также вопросы по методике измерений. Слушатели должны уметь объяснить полученные результаты и наблюдаемые явления, понимать выбор методики и средств измерений.
Примеры вопросов:
1. Чем определяется длина волны лазерной генерации?
2. С чем связан резкий излом зависимости полуширины спектра излучения от плотности рабочего тока?
3. Как вы можете объяснить наличие множества пиков в спектре лазерной генерации?
4. Какими факторами определяется разрешающая способность измерительной системы?
К теме 5. Пространственные характеристики излучения полупровод-никового лазера.
В рамках изучения темы 5 предусмотрено выполнение лабораторной работы «Измерение пространственных характеристик излучения полупроводникового лазера» - 2 часа аудиторной работы, 1 час самостоятельной работы (подготовка и написание отчета).
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы.
Цель выполнения данной работы состоит в освоении слушателями навыков измерений пространственных характеристик лазерных (светоизлучающих) инжекционных диодов, овладении навыками измерений характеристик светоизлучающих приборов в импульсном режиме и более глубоком усвоении физических принципов работы светоизлучающих приборов.
Для достижения этой цели слушателям предлагается произвести измерения диаграммы направленности излучения полупроводникового полоскового лазерного диода в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Описание установки для изучения дальних полей полупроводниковых лазеров.
Установка для сканирования дальнего поля представляет собой две угловых моторизированных подвижки, осей вращения которые пересекаются под прямым углом, и детектора. Перед началом эксперимента каждый исследованный прибор юстируется таким образом, чтобы его выходное зеркало совпало с плоскостью, определенную осями вращения подвижек, и, кроме того, чтобы точка пересечения осей лежала на его выходном зеркале. Такая юстировка осуществляется с помощью гелий-неонового лазера, который был установлен так, чтобы его выходной пучок попадал в точку пересечения осей, причем этот пучок распространялся параллельно плоскости оптического стола. Далее следует задание начала отсчета, то есть такого угла поворота лазера в двух направлениях, при котором нормаль к выходному зеркалу является также и нормалью к площадке приемника оптического излучения (ПОИ). Для этого снимается два отсчета по лимбу вращающей подвижки первый — для положения, когда отраженный от выходного зеркала исследуемого лазера блик гелий-неонового лазера попадает прямо на выходное зеркало последнего и второй — для положения когда отраженный блик попадает на площадку ПОИ (более подробно процедура описана в приложениях). Разность между отсчетами равна половине угла между направлениям на гелий-неоновый лазер и на ПОИ из точки пересечения осей вращения. Таким образом, прибавив разность отсчетов к последнему отсчету можно сразу получить положение «нуля» на лимбе подвижки. Процесс вычисления нулевого положения автоматизирован, необходимо считать только два отсчета нажатием соответствующие кнопки в программе.
Для установки и поддержания заданной температуры используется элемент Пельте. Управление элементом Пельте осуществляется с помощью контроллера. Управление подвижками осуществляется с помощью компьютера (ПК).
Регистрация сигнала производится с использованием схемы синхронного детектирования. При измерениях дальнего поля в непрерывном режиме работы лазера используется внешний модулятор с частотой модуляции 1,3 кГц. При измерениях в импульсном режиме использовалась схема с внутренней модуляцией, частота следования импульсов 9,7 кГц при длительности импульса 400 нс. В качестве ПОИ используется германиевый фотодиод, работающий в фотогенераторном режиме (без обратного смещения) без охлаждения.
Постоянный сигнал с выхода синхронного детектора отправляется на вход платы компьютера, где он оцифровывается и записывается в спектр. Сканирование проводится против часовой стрелки, поэтому, в случае, когда исследуемый лазер припаян p-контактом вниз, с отрицательными углами в приемник попадает излучение, приходящее от подложки, а с положительными углами — излучение от эпитаксиальных слоев. При изменении схемы напаивания лазера спектр дальнего поля переворачивается, что следует учитывать.
В задачи преподавателя входит инструктаж слушателей курса, демонстрация оборудования, ответы на вопросы слушателей и экзаменация слушателей при защите лабораторной работы.
Преподаватель заранее готовит 3-5 образцов (на случай повреждения образцов) полупроводникового полоскового лазерного диода, предварительно напаянных на теплоотводы, и с заранее известной Ватт-Амперной характеристикой. Показывает и объясняет метод монтажа теплоотвода и юстировки оптической схемы, показывает расположение и особенности работы оборудования.
В рамках лабораторной работы слушатели должны измерить дальнее поле излучения полупроводникового полоскового лазерного диода при фиксированной температуре (25С) и плотности тока накачки (5 пороговых значений) в горизонтальном и вертикальном направлении в импульсном режиме. При успешном и своевременном выполнении слушателями этого задания преподаватель может рекомендовать измерить дальнее поле излучения лазерного диода в горизонтальном направлении в неосевой угловой точке (~50).
В задачи слушателей входит:
1. монтаж теплоотводов с лазерами на испытательном стенде;
2. юстировка оптической схемы;
3. настройка системы импульсной накачки лазерного диода;
4. выполнение измерений дальнего поля излучения лазерных диодов в осевой точке в горизонтальном и вертикальном направлениях;
5. дополнительный пункт: измерение дальнего в горизонтальном направлении в неосевой угловой точке.
6. определение пространственных характеристик излучения лазерного диода: полуширина пика излучения в различных направлениях, интенсивность основного пика;
7. написание отчета и его защита (ответы на вопросы преподавателя);
Слушатели готовят отчет по лабораторной работе, который должен содержать:
1. цель работы;
2. принципиальная схема установки;
3. полученные результаты;
4. дальние поля излучения лазера;
5. выводы.
При защите лабораторных работ преподавателю рекомендуются задавать вопросы, касающиеся физики работы прибора и наблюдаемых явлений, а также вопросы по методике измерений. Слушатели должны уметь объяснить полученные результаты и наблюдаемые явления, понимать выбор методики и средств измерений.
Примеры вопросов:
1. Почему полуширина дальнего поля излучения лазерного диода отличается для различных направлений?
2. Какие вы видите конструктивные методы уменьшения ширины диаграммы направленности лазерного диода?
3. Чем определяется разрешающая способность измерительной установки?
4. Как связаны ближнее и дальнее поле лазерного источника?
3. Методические указания по проведению итогового теста по курсу «Измерение характеристик светоизлучающих полупроводниковых приборов».
Целью проведения итогового теста по курсу «Измерение характеристик светоизлучающих полупроводниковых приборов» является контроль знаний, полученных слушателями на лекционных занятиях и при выполнении практических заданий.
Целесообразно проводить тестирование в конце изучения курса. Общее количество вопросов по курсу не менее 20. По окончании курса результаты тестирования суммируются и выставляется общая оценка за выполнение итогового задания.
Критерии оценки знаний слушателей при выполнении итогового теста:
Оценка «отлично» выставляется, если слушатель правильно ответил на 85-100 % вопросов теста.
Оценка «хорошо» выставляется, если слушатель правильно ответил на 70-84% вопросов теста.
Оценка «удовлетворительно» выставляется, если слушатель правильно ответил на 50-69 % вопросов теста.
Оценка «неудовлетворительно» выставляется, если слушатель не ответил правильно на 50% вопросов теста.
