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

1. 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
-3,1	0	0
-3	4,9	0,05806
-2,9	5,2	0,06161
-2,8	4,4	0,05213
-2,7	6,7	0,07938
-2,6	7,3	0,08649
-2,5	10,6	0,12559
-2,4	12,3	0,14573
-2,3	14	0,16588
-2,2	17,5	0,20735
-2,1	23,1	0,2737
-2	27,8	0,32938
-1,9	29,7	0,3519
-1,8	34,9	0,41351
-1,7	38,1	0,45142
-1,6	42,7	0,50592
-1,5	46,2	0,54739
-1,4	48,6	0,57583
-1,3	51	0,60427
-1,2	52,3	0,61967
-1,1	53,6	0,63507
-1	55,1	0,65284
-0,9	56,9	0,67417
-0,8	59	0,69905
-0,7	59,9	0,70972
-0,6	61,7	0,73104
-0,5	66,8	0,79147
-0,4	67,2	0,79621
-0,3	73,4	0,86967
-0,2	77,8	0,9218
-0,1	82	0,97156
dla z (z=20 cm)		dla z + ∆z (z=26 cm)
r [mm]	U [mV]	U/U0
0	84,4	1
0,1	77,4	0,91706
0,2	75,5	0,89455
0,3	70,4	0,83412
0,4	67,2	0,79621
0,5	63,1	0,74763
0,6	61,7	0,73104
0,7	61,3	0,7263
0,8	58,4	0,69194
0,9	56,7	0,6718
1	54,2	0,64218
1,1	53,6	0,63507
1,2	52,4	0,62085
1,3	50,8	0,6019
1,4	49,1	0,58175
1,5	47	0,55687
1,6	38,3	0,45379
1,7	36,5	0,43246
1,8	29,9	0,35427
1,9	28,7	0,34005
2	27	0,31991
2,1	21,1	0,25
2,2	16	0,18957
2,3	14	0,16588
2,4	14	0,16588
2,5	10	0,11848
2,6	7,3	0,08649
2,7	8,7	0,10308
2,8	6,4	0,07583
2,9	5,5	0,06517
3	6,9	0,08175
3,1	0	0

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.