OPTOELEKTRONIKA

Ćwiczenie- 4

TEMAT: Promieniowanie laserowe. Pomiar parametrów wiązki laserowej.

Wykonali:

Wojciech Sirocki

Norbert Rumbczyk

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczeniu parametrów wiązki lasera Nd:YAG poprzez pomiar średnicy wiązki w trzech przekrojach odległych o z, z + ∆z i z - ∆z od przewężenia ( Rys. 1).

Rys. 1. Wyznaczanie parametrów wiązki laserowej poprzez pomiar średnicy wiązki w trzech przekrojach.

Wiązkę laserową dla modu podstawowego (TEM00) opisuje funkcja Gaussa. Wiązka ta jest podstawowym rodzajem drgań generowanych przez laser i opisana jest poniższym równaniem:

gdzie:

E(r,z) – amplituda wiązki w przekroju w punkcie odległym o r od osi optycznej,

E₀ – wartość pola w z=0,

2w₀ – średnica wiązki laserowej w z=0 (tzw. przewężenie wiązki),

2w_z – średnica wiązki laserowej w płaszczyźnie odległej o z od przewężenia,

,

λ - długość emitowanego promieniowania (dla lasera Nd:YAG używanego w ćwiczeniu λ=532nm),

R_z – promień krzywizny czoła fali w odległości z od przewężenia.

Z wcześniejszego równania wynika, że rozkład amplitudy w dowolnej płaszczyźnie z jest również opisany funkcją Gaussa:

Analogicznie przebiega natężenie promieniowania wiązki:

Rys. 2. Rozkład amplitudy i natężenia wiązki laserowej w przekroju poprzecznym w odległości z od przewężenia.

Rys. 3 Parametry wiązki.

Średnika wiązki wyraża się wzorem:

.

Promień krzywizny czoła fali można przedstawić jako zależność:

.

W przypadku dużych odległości z od przewężenia wiązkę można traktować jako pęk promieni rozchodzących się prostoliniowo ze środka przewężenia. Odległość tą określa parametr konfokalny wyrażony wzorem:

.

Kąt rozbieżności wiązki θ, który definiuje się jako:

.

Schemat układu pomiarowego

Ćwiczenie wykonano korzystając z zestawu składającego się z:

- Ławy optycznej,

- Lasera Nd:YAG (λ = 533nm, P = 1,5 mW),

- Fotodiody z przesłoną,

W laboratorium zestawiono układ pomiarowy składający się z wyżej wymienionych elementów w sposób przedstawiony na Rys. 4.

Rys. 4. Schemat układu pomiarowego

Laser umieszczony jest na przesuwie poprzecznym do osi ławy, ze śrubą mikrometryczną umożliwiającą zmianę położenia wiązki laserowej względem osi ławy. Fotodioda wraz z przesłoną umieszczona jest w osi ławy i posiadająca przesłonę mniejsza niż średnica wiąski laserowej.

Wykonane zostały pomiary profilu (w tym przypadku intensywności) wiązki dla trzech płaszczyzn (płaszczyzny wyjściowej i dwóch płaszczyzn odległych o ± ∆z=0,09m).

3. Wyniki pomiarów, obliczeń oraz wykresy.

Wyniki pomiarów intensywności wiązki laserowej oraz jej unormowane wartości w funkcji zmiany położenia śruby mikrometrycznej:

dla z=19 cm		dla z=19 cm
r [mm]	U [mV]	U/U0
4,9	-6,0	0,072378
4,8	-5,8	0,070901
5,1	-5,6	0,075332
5	-5,4	0,073855
4,9	-5,2	0,072378
5,2	-5,0	0,076809
5,3	-4,8	0,078287
6,2	-4,6	0,091581
6	-4,4	0,088626
6,7	-4,2	0,098966
7,9	-4,0	0,116691
8,6	-3,8	0,127031
10,3	-3,6	0,152142
10,7	-3,4	0,15805
13,2	-3,2	0,194978
12,5	-3,0	0,184638
14,2	-2,8	0,209749
15,5	-2,6	0,228951
23	-2,4	0,339734
22,9	-2,2	0,338257
23	-2,0	0,339734
30	-1,8	0,443131
31,8	-1,6	0,469719
39,7	-1,4	0,586411
36,6	-1,2	0,54062
48,4	-1,0	0,714919
50,4	-0,8	0,744461
59	-0,6	0,871492
64,4	-0,4	0,951256
59,6	-0,2	0,880355
67,7	0,0	1

dla z + 28 cm		dla z + 28 cm
r [mm]	U [mV]	U/U0
3,2	-7,0	0,104918
3,2	-6,8	0,104918
4,4	-6,6	0,144262
4,1	-6,4	0,134426
5	-6,2	0,163934
6,3	-6,0	0,206557
9,1	-5,8	0,298361
7,6	-5,6	0,24918
6,6	-5,4	0,216393
8,4	-5,2	0,27541
8,5	-5,0	0,278689
12,1	-4,8	0,396721
9	-4,6	0,295082
11,5	-4,4	0,377049
9,7	-4,2	0,318033
15,5	-4,0	0,508197
14,2	-3,8	0,465574
18	-3,6	0,590164
15,5	-3,4	0,508197
15,6	-3,2	0,511475
18	-3,0	0,590164
19,2	-2,8	0,629508
19,6	-2,6	0,642623
23,5	-2,4	0,770492
23,7	-2,2	0,777049
19,5	-2,0	0,639344
20,3	-1,8	0,665574
22,2	-1,6	0,727869
20,1	-1,4	0,659016
20,2	-1,2	0,662295
20,9	-1,0	0,685246
19,2	-0,8	0,629508
21	-0,6	0,688525
21	-0,4	0,688525
23,8	-0,2	0,780328
30,5	0,0	1

dla z - 10 cm		dla z - 10 cm
r [mm]	U [mV]	U/U0
2,8	-5,0	0,019732
2,8	-4,8	0,019732
2,7	-4,6	0,019027
2,7	-4,4	0,019027
2,5	-4,2	0,017618
2,8	-4,0	0,019732
2,8	-3,8	0,019732
2,8	-3,6	0,019732
3,2	-3,4	0,022551
3	-3,2	0,021142
3	-3,0	0,021142
3	-2,8	0,021142
3,5	-2,6	0,024665
3,2	-2,4	0,022551
4,2	-2,2	0,029598
6,8	-2,0	0,047921
6,9	-1,8	0,048626
10,1	-1,6	0,071177
24,9	-1,4	0,175476
33,1	-1,2	0,233263
45,1	-1,0	0,317829
64,8	-0,8	0,45666
101,4	-0,6	0,714588
118,1	-0,4	0,832276
135,9	-0,2	0,957717
141,9	0,0	1

Średnica wiązki lasera w płaszczyźnie

	w odległości z	w odległości z+9cm	w odległości z-9cm
2wz [mm]	7,2	11	3,5

Δz=0,09m

Kąt rozbieżności wiązki

Θ=$\frac{1}{9*10^{- 3}}\sqrt{\frac{\left( 11*10^{- 3} \right)^{2} + {(3,5*10^{- 3})}^{2}}{2} - {(7,2*10^{- 3})}^{2}}$=0,0427[rad]

to:

Θ=0,0427$\frac{180}{\pi}$=2,447 [°]

Średnica przewężania

stąd:

2w₀=$\frac{4*532*10^{- 9}}{3,14*0,0427}$=15,871 [um]

Parametr konfokalny

Odległość z od płaszczyzny przewężenia

(2w_z)² = (2w₀)² + (θz)²

stąd:

Z=$\sqrt{\frac{{(7,2*10^{- 3})}^{2} - {(15,871*10^{- 6})}^{2}}{{0,0427}^{2}}}$=0,1686[m]=16.86[cm]

4. Wnioski.

Wiąska promieniowania lasera powinna charakteryzować się mała szerokością widma, mała rozbieżnością wiąski laserowej oraz spójnością wiąski. W laboratorium sprawdzano zależność odległości lasera od fotodiody i zauważono, że spójność wiązki laserowej zależy od odległości płaszczyzny pomiaru od lasera. Im większa odległość tym mniejsza intensywność oraz gorsza spójność wiązki laserowej. Z pomiarów i obliczeń wynika, iż średnica wiązki laserowej rośnie wraz ze wzrostem odległość płaszczyzny pomiaru od lasera. Największa energia promieniowania lasera skupiona jest w płaszczyźnie przewężenia. W tej płaszczyźnie wiązka ma najmniejszą średnicę. Uzyskane charakterystyki mają podobny kształt, różnią się jednak szerokością, a kształtem przypominają krzywa Gaussa. Uzyskane charakterystyki są „poszarpane” wynika to z niedoskonałości metody pomiarowej oraz niejednakowych warunków panujących w laboratorium podczas całego czasu trwania pomiarów. Brak możliwości idealnego wypozycjonowania otworka przesłony z wiąska laserową oraz oscylacje intensywności promieniowania na przyrządach spowodowały ze niektóre wyniki odbiegają od rzeczywistych.