13.11.2008 r.

Agata Piorun

Zespół 1

Grupa 2.1

Wydział Inżynierii Materiałowej

Ćw. 15. Badanie wiązki świetlnej.

1. Wstęp.

Celem ćwiczenia jest zbadanie rozkładu natężenia światła wiązek emitowanych przez różne źródła, tj. laser helowo-neonowy i diodę elektroluminescencyjną. Ćwiczenie ma na celu poznanie własności światła spójnego i niespójnego oraz sposobów jego generacji i detekcji. Wyznaczane są rozkłady natężenia emitowanego przez źródła światła spójnego
i charakteryzującego się emisją spontaniczną.

Wykorzystywanym w praktyce parametrem wiązki świetlnej jest średnica wyznaczana na podstawie pomiarów natężenia promieniowania. Średnica wiązki określana jest jako odległość między punktami leżącymi w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali elektromagnetycznej, w których natężenie światła zmniejsza się do e^-2.

2. Układ pomiarowy i przebieg wykonania ćwiczenia.

Rys. 1. Układ pomiarowy do badania wiązki laserowej (L - laser helowo-neonowy;
ZL - zasilacz; F - fotodioda; Św. - światłowód; S - stolik krzyżowy; WVC - układ wzmocnienia napięcia stałego).

Rys. 2. Układ pomiarowy do badania wiązki emitowanej przez diodę elektroluminescencyjną (LED - dioda elektroluminescencyjna; Z - zasilacz).

1. Umieszczono światłowód w wiązce świetlnej i przesuwano go za pomocą śrub mikrometrycznych wzdłuż osi x, a następnie y.

2. Mierzono napięcie fotodiody za pomocą układu z wyświetlaczem cyfrowym.

3. Umieszczono na wprost światłowodu diodę elektroluminescencyjną
   i wykonywano dla niej pomiary analogicznie jak w punktach 1 i 2.

4. Ustawiono diodę elektroluminescencyjną i obserwowano widma.

3. Opracowanie wyników.

1. Badanie wiązki świetlnej emitowanej przez laser:

Wykonywano pomiary napięcia proporcjonalnego do natężenia światła, które weszło do światłowodu w funkcji położenia światłowodu względem wiązki laserowej. Sporządzono wykresy: U = f(x) i U = f(y); zastosowano dopasowanie gaussowskie wyników.

Obliczenia wykonywano dla U = f(y):

Najpierw wyznaczono średnicę wiązki laserowej bezpośrednio z wykresu:

mV

Odległość punktów, dla których U = 76,46 mV wynosi 860 m (0,86 mm) i jest to jednocześnie średnica φ wiązki laserowej.

Punkty na osi X odkładano co 100 m, stąd błąd szacowania położenia punktów przyjęto za równy 50 m (0,05 mm).

Następnie wyznaczono średnicę wiązki laserowej, korzystając z dopasowania gaussowskiego:

  2 · 453,15 = 906,30 m

Δ  2 · 8,08 = 16,16 m ≅ 0,02 mm

2. Badanie wiązki świetlnej emitowanej przez diodę elektroluminescencyjną:

Wykonywano pomiary napięcia proporcjonalnego do natężenia światła, które weszło do światłowodu w funkcji położenia światłowodu względem wiązki diody LED. Sporządzono wykresy: U = f(x) i U = f(y).

Obliczenia wykonywano dla U = f(y):

Wyznaczono średnicę wiązki światła diody bezpośrednio z wykresu:

mV

Odległość punktów, dla których U = 43,85 mV wynosi 6339 m (≅ 6,34 mm) i jest to jednocześnie średnica φ wiązki światła diody.

Punkty na osi X odkładano co 200 m, stąd błąd szacowania położenia punktów przyjęto za równy 100 m (0,10 mm).

Średnica wiązki światła diody elektroluminescencyjnej jest ok. 7,5 razy większa od średnicy wiązki świetlnej emitowanej przez laser. Wynika to z różnic pomiędzy laserem a diodą w rodzaju emitowanego światła:

• Laser emituje w sposób ciągły wiązkę światła o dużej spójności czasowej
  i przestrzennej. Płaszczyzny w przekroju wiązki są w przybliżeniu stałe w fazie,
  a światło jest monochromatyczne.

• Dioda elektroluminescencyjna natomiast ma szeroki zakres emitowanych fal, kwanty rozchodzą się w różnych kierunkach, a otrzymana wiązka światła jest niespójna.

Badano widma diod elektroluminescencyjnych, wyniki zamieszczono na załączonych wykresach.

4. Wnioski.

Na podstawie wykonanych pomiarów stwierdzono, że średnica wiązki laserowej
jest ok. 7,5 razy mniejsza od średnicy wiązki światła emitowanej przez diodę elektroluminescencyjną:

φ _{wiązki laserowej} = 0,86 ± 0,05 mm

φ _{diody elektroluminescencyjnej} = 6,34 ± 0,10 mm

Laser emituje światło spójne, natomiast badana dioda - niespójne.

Wyk. 1. Zależność U(x) dla lasera.

Wyk. 2. Zależność U(x) dla lasera.

Wyk. 3. Zależność U(x) dla diody elektroluminescencyjnej.

Wyk. 4. Zależność U(y) dla diody elektroluminescencyjnej.

---