Ćwiczenie 15

1. Schemat układu pomiarowego

2. Opis ćwiczenia

2 Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było badanie rozkładów natężenia światła wiązek emitowanych przez laser helowo-neonowy i diodę elektroluminescencyjną. Badanie to miało umożliwić poznanie własności światłą spójnego i niespójnego oraz sposobów jego generacji i detekcji.

Układy pomiarowe były zestawione według schematów umieszczonych powyżej. Analiza rozkładu natężenia światła możliwa była dzięki temu, ze koniec światłowodu przesuwany był w płaszczyźnie prostopadłej do wiązki świetlnej za pomocą stolika krzyżowego ze śrubami mikrometrycznymi. Przyjęliśmy, że natężenia promieniowania padającego na powierzchnie fotodiody ( po przejściu światła przez światłowód ) było proporcjonalne do natężenia promieniowania wchodzącego do światłowodu. Na fotodiodzie powstało napięcie, które następnie było mierzone przez woltomierz selektywny (odpowiednio dostosowany do częstotliwości modulacji). Do wyjścia woltomierza selektywnego był dołączony woltomierz cyfrowy, którego zadaniem było ułatwienie odczytu.

3. Opis ćwiczenia

W obu przypadkach, tj. zarówno badając wiązkę światła pochodzącego od diody elektroluminescencyjnej, jak i od lasera, badanie rozpoczęliśmy od znalezienia maksymalnej wartości napięcia odpowiadającej maksymalnej wartości natężenia. Następnie sprawdziliśmy (przy użyciu śrub mikrometrycznych ) jak duży jest zakres zmian tego parametru i wykonaliśmy pomiary przesuwając się w stronę maksimum, po osi OX i po osi OY, od wartości najmniejszych do największych. Wykonując ćwiczenia zakładaliśmy, że rozkład natężenia światła będzie rozkładem gaussowskim.

Tego typu pomiary ujawniły, że rozkład natężeń dla wiązki światła laserowego jest znacznie węższy niż dla wiązki światła pochodzącego od diody elektroluminescencyjnej.

4. Wyniki pomiarów

Przeprowadzone pomiary pozwoliły wykreślić wykresy napięcia V w funkcji współrzędnych światłowodu x oraz y. Z wykresów widać, ze rozkład natężenia światła można w przybliżeniu opisać funkcją gausowską V(x)=V₀ exp[-B(x-x₀ )²]. Współczynnik B możemy obliczyć stosując metodę najmniejszej sumy kwadratów dla wyrażenia ln (V(x)/V₀)= f (x-x₀)². Otrzymany współczynnik a= -B.

Średnicę wiązki d wyznaczam w następujący sposób:

V(x)=V_maxe^-2 ; V_maxe^-2=V_max exp[-B(d/2)²] d=(8/B)^1/2 ; d=2^1/2*B^-3/2* B ;

Dla wiązki laserowej otrzymaliśmy następujące średnice wiązki:

Bx=ax= (-10,04278 0,2314347) d_x= (0,89 0,01) mm

By=ay= (-11,49924 0,2643146) d_y= (0,83 0,01) mm

Lub w drugi sposób; szerokość wiązki obliczamy z wykresu na wysokości V_o/e ²=512 / 2,718 ² = 69,29mV.

Błąd odczytu d przyjmuję, że wynosi 0,25mm.

d_x= 15,66-14,70= (0,96 0,25) mm

d_y= 13,79-12,86= (0,93 0,25) mm

Dla diody funkcja Gaussa nie opisuje poprawnie rozkładu natężenia światła, dlatego szerokość wiązki liczymy z wykresu na wysokości V₀/e²=633 / 2,718 ² = 85,67mV

Błąd odczytu d przyjmuję, że wynosi 0,25mm.

d_x=9,15-1,22= (7,93 0,25) mm

d_y=11,05-2,37= (8,68 0,25) mm

Laser

Dioda

5. Wnioski

Analiza rozkładu punktów pomiarowych jakie uzyskaliśmy podczas badania zmian napięcia w zależności od współrzędnej x i y ma charakterystyczny kształt. Rozkład taki zwany jest rozkładem gaussowskim.

Skoro zmierzone przez nas napięcie było proporcjonalne do natężenia wiązki świetlnej wysyłanej przez źródło jakim był laser, to można twierdzić, że rozkład natężenia wiązki świetlnej zachowuje się analogicznie (jak rozkład napięcia), czyli posiada jedno duże maksimum, względem którego rozkład symetrycznie opada w dół. Szerokość tego rozkładu była raczej mała w porównaniu choćby z rozkładem uzyskanym dla diody półprzewodnikowej. Taki kształt wykresu świadczy o tym, że wiązka jest spójna. Fakt ten potwierdza sposób w jaki wiązka światła laserowego zostaje wytworzona - mamy tu na myśli emisję wymuszoną, w której częstotliwość, faza, kierunek i polaryzacja emitowanych fotonów są takie same jak fotonów wymuszających. Na zewnątrz lasera wydostaje się zatem wąska wiązka świetlna całkowicie spolaryzowana o ogromnej energii i dużej gęstości. O tym, że wiązka świetlna jest spójna można się przekonać analizując chociażby średnicę plamki świetlnej.

W przypadku wiązki świetlnej pochodzącej od diody półprzewodnikowej uzyskane przez nas rozkłady odbiegają od analogicznych dla lasera. Moim zdaniem wpływ na to miał udział promieniowania spontanicznego w stosunku do udziału promieniowania wymuszonego.

Jak wiadomo promieniowanie spontaniczne powstało we wzbudzonym atomie na skutek przejścia elektronu z wyższej powłoki elektronowej na niższą (tj. powrotu do stanu podstawowego, w którym energia jest najmniejsza czyli był to powrót do najkorzystniejszego energetyczne stanu).W wyniku takiego promieniowania cześć energii wspomnianego już elektronu została wypromieniowania do otoczenia w postaci fali elektromagnetycznej. Podczas emisji spontanicznej wytwarza się wiele takich fal, ale ze względu na fakt, że ich polaryzacje, natężenia i kierunki propagacji są różne powstała wiązka świetlna nie może być uznana za całkowicie spójną.

Udział takich fal elektromagnetycznych w promieniowaniu diody półprzewodnikowej będzie miał przede wszystkim wpływ na kształt rozchodzenia się wiązki świetlnej.

Na większych odległościach coraz mniejsze znaczenia odgrywa promieniowanie pochodzące od emisji spontanicznej.

Badanie diody elektroluminescencyjnej

G - generator

S - stolik krzyżowy

Św - światłowód

F - fotodioda ( detektor światła)

VS - woltomierz selektywny

VC - woltomierz cyfrowy

Badanie lasera

ZL - zasilacz

L - laser helowo-neonowy

M - modulator światła

S - stolik krzyżowy

Św - światłowód

F - fotodioda ( detektor światła)

VS - woltomierz selektywny

VC - woltomierz cyfrowy

---