20.04.09

Elementy i układy optoelektroniczne

Laboratorium - Ćwiczenie 4

Tytuł ćwiczenia :

Promieniowanie laserowe. Pomiar parametrów wiązki laserowej.

Wykonali:

Wojciech Podlaski

Bartłomiej Zalewski

inż. Damian Knyba

I MSU

1. Wprowadzenie do 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 (patrz Rys. 1).

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

2. Schemat układu pomiarowego oraz krótki opis zadań wykonanych w laboratorium.

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. 2.

Rys. 2 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. Otworek w przesłonie jest mały w porównaniu do średnicy wiązki.

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

3. Wyniki pomiarów, obliczeń oraz wymagane wykresy.

3.1. Wyniki pomiarów dla wszystkich rozpatrywanych przypadków.

dla z (z=20 cm)					dla z - ∆z (z=14 cm)						dla z + ∆z (z=26 cm)
r [mm]	U [mV]		U/U0		r [mm]		U [mV]			U/U0	r [mm]		U [mV]		U/U0
-3,1	0		0		-3,2		1,5204			0,012	-4,5		1		0,01912
-3	4,9		0,05806		-2,9		4,8146			0,038	-4,3		4,7		0,08987
-2,9	5,2		0,06161		-2,6		8,4889			0,067	-4,1		9,3		0,17782
-2,8	4,4		0,05213		-2,3		14,9506			0,118	-3,9		7,9		0,15105
-2,7	6,7		0,07938		-2		26,7337			0,211	-3,7		10,3		0,19694
-2,6	7,3		0,08649		-1,7		49,5397			0,391	-3,5		11,2		0,21415
-2,5	10,6		0,12559		-1,5		62,2097			0,491	-3,3		9,7		0,18547
-2,4	12,3		0,14573		-1,3		69,0515			0,545	-3,1		13,2		0,25239
-2,3	14		0,16588		-1,1		81,088			0,64	-2,9		14,5		0,27725
-2,2	17,5		0,20735		-0,9		92,2376			0,728	-2,7		14,2		0,27151
-2,1	23,1		0,2737		-0,7		99,8396			0,788	-2,5		17,6		0,33652
-2	27,8		0,32938		-0,5		105,541			0,833	-2,3		24,3		0,46463
-1,9	29,7		0,3519		-0,2		110,229			0,87	-2,1		28,6		0,54685
-1,8	34,9		0,41351		-0,1		123,026			0,971	-1,9		27,7		0,52964
-1,7	38,1		0,45142		0		126,7			1	-1,7		32,16		0,61491
-1,6	42,7		0,50592		0,1		122,772			0,969	-1,6		33,1		0,63289
-1,5	46,2		0,54739		0,2		111,749			0,882	-1,5		34,2		0,65392
-1,4	48,6		0,57583		0,3		105,541			0,833	-1,4		35,7		0,6826
-1,3	51		0,60427		0,5		102,247			0,807	-1,3		36,3		0,69407
-1,2	52,3		0,61967		0,7		95,2784			0,752	-1,2		37,9		0,72467
-1,1	53,6		0,63507		0,9		93,2512			0,736	-1,1		38,3		0,73231
-1	55,1		0,65284		1,1		80,8346			0,638	-1		39,5		0,75526
-0,9	56,9		0,67417		1,5		62,9699			0,497	-0,9		40,9		0,78203
-0,8	59		0,69905		1,8		54,2276			0,428	-0,8		42,1		0,80497
-0,7	59,9		0,70972		2,1		24,9599			0,197	-0,7		43,4		0,82983
-0,6	61,7		0,73104		2,4		12,5433			0,099	-0,6		43,9		0,83939
-0,5	66,8		0,79147		2,7		7,9821			0,063	-0,5		45,2		0,86424
-0,4	67,2		0,79621		3		3,801			0,03	-0,4		46,4		0,88719
-0,3	73,4		0,86967		3,3		2,2806			0,018	-0,3		47,2		0,90249
-0,2	77,8		0,9218								-0,2		48,1		0,91969
-0,1	82		0,97156								-0,1		49,9		0,95411
dla z (z=20 cm)												dla z + ∆z (z=26 cm)
r [mm]		U [mV]		U/U0								r [mm]		U [mV]		U/U0
0		84,4		1								0		52,3		1
0,1		77,4		0,91706								0,1		48,2		0,92161
0,2		75,5		0,89455								0,2		45,5		0,86998
0,3		70,4		0,83412								0,3		44,4		0,84895
0,4		67,2		0,79621								0,4		42,4		0,81071
0,5		63,1		0,74763								0,5		40,2		0,76864
0,6		61,7		0,73104								0,6		39,9		0,76291
0,7		61,3		0,7263								0,7		39,4		0,75335
0,8		58,4		0,69194								0,8		39,8		0,76099
0,9		56,7		0,6718								0,9		39,1		0,74761
1		54,2		0,64218								1		38,2		0,7304
1,1		53,6		0,63507								1,1		38,3		0,73231
1,2		52,4		0,62085								1,2		37,3		0,71319
1,3		50,8		0,6019								1,3		36,5		0,6979
1,4		49,1		0,58175								1,4		35,3		0,67495
1,5		47		0,55687								1,5		33,2		0,6348
1,6		38,3		0,45379								1,6		33,1		0,63289
1,7		36,5		0,43246								1,7		30,16		0,57667
1,8		29,9		0,35427								1,9		29,7		0,56788
1,9		28,7		0,34005								2,1		26,6		0,5086
2		27		0,31991								2,3		24,6		0,47036
2,1		21,1		0,25								2,5		17,6		0,33652
2,2		16		0,18957								2,7		16,1		0,30784
2,3		14		0,16588								2,9		13,5		0,25813
2,4		14		0,16588								3,1		11,2		0,21415
2,5		10		0,11848								3,3		9,7		0,18547
2,6		7,3		0,08649								3,5		11,2		0,21415
2,7		8,7		0,10308								3,7		11,3		0,21606
2,8		6,4		0,07583								3,9		9,9		0,18929
2,9		5,5		0,06517								4,1		6,3		0,12046
3		6,9		0,08175								4,3		3,7		0,07075
3,1		0		0								4,5		1		0,01912

Tabela 1. Wyniki pomiarów intensywności wiązki laserowej oraz jej unormowane wartości w funkcji zmiany położenia śruby mikrometrycznej

Widoczne w tabeli 1 wartości r z minusem odpowiadają pomiarom wykonanym przy zmianie położenia wiązki lasera względem osi optycznej (lewostronna zmiana położenia śruby mikrometrycznej).

Na rys. 3 przedstawiono wykres ze zmierzonymi i unormowanymi profilami wiązki.

Rys. 3 Wykres zmierzonych i unormowanych profili wiązki

3.2. Wyznaczenie średnicy wiązki laserowej dla każdego profilu.

3.3. Obliczenie kąta rozbieżności wiązki laserowej.

Δz=0,06m

3.4. Obliczenie średnicy przewężenia.

3.5. Obliczenie odległości płaszczyzny przewężenia od płaszczyzny

wyjściowej.

3.6. Obliczenie parametru konfokalnego.

3.7. Obliczenie promienia krzywizny czoła fali w płaszczyźnie wyjściowej.

gdzie

4. Wnioski.

Promieniowanie laserowe powinno charakteryzować się mała szerokością linii widmowych (monochromatycznością), małą rozbieżnością wiązki laserowej, spójnością (możliwością tworzenia obrazów interferencyjnych) oraz dużą jasnością energetyczną.

W laboratorium dokonano pomiarów intensywności wiązki gaussowskiej, na podstawie których obliczono kąt rozbierzności wiązki laserowej, średnicę przewężenia, odległość płaszczyzny przewężenia od płaszczyzny wyjściowej, parametr konfokalny i promień krzywizny czoła fali w płaszczyźnie wyjściowej. Uzyskane wyniki przedstaewiono w rozdziale 3. Brak możliwości idealnego wypozycjonowania otworka przesłony w centrum wiązki laserowej, oraz ciągłe oscylacje wartości intensywności promieniowania na przyrządzie pomiarowym sprawiły, że wyniki niektórych parametrów odbiegają od rzeczywistych. Dla przykładu obliczona wartość kąta rozbierzności wiązki laserowej wyniosła θ = 73 mrad podczas gdy w rzeczywistości wartość ta nie przekracza kilku miliradianów.

2

---