ICHiP I rok	Palowski Artur	Data pomiarów : 30.03.2010
Numer ćwiczenia: 24	Wyznaczanie przeszkód za pomocą lasera półprzewodnikowego	Ocena :

Uwagi

Wstęp teoretyczny.

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła oparte jest o zjawiska

dyfrakcji i interferencji światła. Warunkiem uzyskania wyraźnego i niezakłóconego obrazu

interferencyjnego jest spójność (koherencja) światła. Wyróżnia się spójność światła czasową i

przestrzenną.

Zasada działania lasera wynika wprost z rozwinięcia skrótu LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła przez wymuszona emisję promieniowania. Fenomen lasera nie jest zawarty w sposobie działania czy konstrukcji, lecz w rodzaju światła jakie urządzenie to emituje. Jest to bardzo skupiona wiązka światła monochromatycznego, czyli o jednej, ściśle określonej barwie (długości fali). Cechy te dają laserowi niezwykłą przewagę nad innymi źródłami światła.

W laserze wykorzystuje się efekty wzajemnego oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią - tzw. ośrodkiem aktywnym, którym może być ciało stałe, ciecz lub gaz. Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.

Lasery dzielą się ze względu na materiał aktywny i sposób pobudzania. Stan skupienia ośrodków wzmacniających jest najbardziej ogólnym i najczęściej stosowanym kryterium podziału laserów. Materiał aktywny pozwala wyróżnić lasery: gazowe, cieczowe, na ciele stałym i półprzewodnikowe.

Zastosowania lasera:

Wojskowe:

z początku główna idea (do której następuje teraz powrót): lasery dużej mocy niszczące obiekty powietrzne i naziemne, z czasem jednak najbardziej powszechne zastosowanie w urządzeniach „oznaczających” cele, które są następnie niszczone przez rakiety naprowadzane wiązką światła.

Medycyna:

Chirurgia – rozcinanie tkanek – lepsze niż skalpel, gdyż skalpel się tępi i trzeba go sterylizować, poza tym tkanki cięte laserem zasklepiają się na skutek działającej temperatury.

Okulistyka – przyklejanie uszkodzonej siatkówki do dna oka,

Stomatologia – bezbolesne „wiercenie” zęba – chora tkanka odparowywuje

Dermatologia i chirurgia plastyczna – usuwanie zmian naczyniowych, brodawek, przebarwień skóry… a nawet diagnostyka nowotworów!

Zastosowania techniczne:

Spawanie materiałów:

• Precyzja, czystość, automatyzacja, bez dodatkowego spoiwa, wysoka jakość spawu możliwość spawu w gazach ochronnych: hel, argon, dwutlenek węgla, azot.

Cięcie materiałów:

• wysoka jakość i wysoka prędkość procesu, gładkie krawędzie, mała strata materiału, łatwa automatyzacja procesu

• materiały wszelkiego rodzaju: stal, tytan, pleksi, drewno, szkło, papier, tekstylia

• różnorodność technologiczna procesu (odparowanie, wypalanie, topienie + wydmuch, poprzez pęknięcia termiczne itp.)

• przemysł maszynowy, włókienniczy, samochodowy.

A także:

Skanowanie kodu paskowego w sklepach, płyty (CD, DVD, H-DVD, Blue-Ray), geodezja (głównie pomiary odległości, wyznaczanie linii prostych), hologramy, oraz w poligrafii do stworzenia cyfrowych kserokopiarek.

Opis układu pomiarowego.

Na lawie optycznej umieszczony jest laser He-Ne w osłonie metalowej. W osłonie lasera znajduje sie otwór przez który wychodzi wiązka światła laserowego. W pewnej odległości od lasera umieszczony jest uchwyt za pomocą którego mocuje sie siatkę dyfrakcyjną, ramkę z pojedyncza szczeliną oraz ramkę z oprawionymi cienkimi drucikami. Schemat do tych pomiarów poniżej.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie:

• długości fali światła lasera półprzewodnikowego

• szerokości szczeliny

• średnicę cienkiego drutu

Obliczenia.

Wyznaczenie stałej d :

$$d = \frac{\lambda 2nl}{a_{n}}$$

gdzie

-długość fali;

-odległość między maksimami;

n- rząd widm;

l-odległość lasera od ekranu

Wyznaczenie średnicy badanego drucika z zależności :

$$D = \frac{2n\lambda l}{a_{\text{nz}}}$$

gdzie

-odległość między n-tymi ciemnymi prążkami

n-rząd widma

D-średnica drutu

l – odlieglość drucika od ekranu

Wyznaczenie szerokości szczeliny z zależności :

$$S = \frac{2n\lambda l}{a_{\text{nz}}}$$

gdzie :

S-szerokość szczeliny

- długość fali

l – odlieglość szczeliny od ekranu

- odległość między n-tymi ciemnymi prążkami n- rząd widma

Tabela obliczeniowa.

	Stała d [nm]	Odl. l [mm]	Odl. an [mm]	Dł. Fali λ [nm]	Rząd widma n	Średnica D [mm]
siatka dyfrakcyjna	0,005	826	225	680	1	-	0,0048
	0,0049	826	463	680	2		średnia stałej d [mm]
	0,0046	826	732	680	3
	0,005	583	158	680	1
	0,0049	583	326	680	2
	0,0046	583	515	680	3
ramka z drucikiem	-	1542	39	680	2	0,1075	0,1047
		1542	59	680	3	0,1066	średnia średnica [mm]
		1542	79	680	4	0,1062
		1253	32	680	2	0,1065
		1253	48	680	3	0,1065
		1253	72	680	4	0,0947
szczelina	-	1425	31	680	3	0,1875	0,1872
		1425	41	680	4	0,1891	średnia szerokośc [mm]
		1425	48	680	5	0,2019
		1536	35	680	3	0,1791
		1536	45	680	4	0,1857
		1536	58	680	5	0,1801

$$d = \frac{\lambda 2nl}{a_{n}}$$

1nm = 0,000001mm

Niepewność pomiaru stałej d.

i	Stała (di) [mm]	Średnia (d) [mm]	di-d	(di-d)	U(f)=
1	0,005	0,0048	0,0002	0,00000004	0,00000775
2	0,0049		0,0001	0,00000001
3	0,0046		-0,0002	0,00000004
4	0,005		0,0002	0,00000004
5	0,0049		0,0001	0,00000001
6	0,0046		-0,0002	0,00000004
Suma (di-d)^2[mm]	0,00000018

Przyjmując poziom ufności α = 0.7

U(f)* t (α *n ) = 0,00000775 * 1.2= 0,0000093 mm

f(0,0048 ± 0,0000093) mm

Niepewność pomiaru średnicy drucika (d).

i	Średnica drutu (di) [mm]	Średnia (d) [mm]	di-d	(di-d)	U(f)=
1	0,1075	0,1047	0,0028	0,00000784	0,002
2	0,1066		0,0019	0,00000361
3	0,1062		0,0015	0,00000225
4	0,1065		0,0018	0,00000324
5	0,1065		0,0018	0,00000324
6	0,0947		-0,01	0,0001
Suma (di-d)^2[mm]	0,00012

Przyjmując poziom ufności α = 0.7

U(f)* t (α *n ) = 0,002 * 1.2= 0,0024 mm

f(0,1047 ± 0,0024) mm

Niepewność pomiaru szerokości szczeliny (s)

i	Szerokości szczeliny (si) [mm]	Średnia (s) [mm]	si-d	(si-s)	U(f)=
1	0,1875	0,1872	0,0003	0,00000009	0,00336
2	0,1891		0,0019	0,00000036
3	0,2019		0,0147	0,00022
4	0,1791		-0,0081	0,0000066
5	0,1857		-0,0015	0,00000023
6	0,1801		-0,0071	0,000005
Suma (di-d)^2[mm]	0,00033806

Przyjmując poziom ufności α = 0.7

U(f)* t (α *n ) = 0,00336 * 1.2= 0,004032 mm

f(0,1872 ± 0,004032) mm

Wnioski.

Wyznaczona długości fali za pomocą siatki dyfrakcyjnej odbiega od rzeczywistej wartości

długości fali. Różnica ta spowodowana jest faktem, że pomiary te były dokonywane za pomocą liniału o dokładności 1mm.

Lasery są obecnie bardzo szeroko wykorzystywane we wszystkich dziedzinach techniki i nauki. Za pomocą laserów można z wielką dokładnością dokonywać różnego rodzaju pomiarów. Na błędy pomiarowe w ćwiczeniu wpływ miało kilka czynników : znaczny błąd pomiaru odległości, oraz niedokładność pomiarów kolejnych maksimów.

odległość między widmami tego samego rzędu szczeliny jest zauważalnie mniejsza od odległości widm Siatki dyfrakcyjnej.