laboratorinis darbas ke – 1 he - ne lazerio tyrimas · laboratorinis darbas ke – 1 he - ne...
Post on 05-Jan-2020
7 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Laboratorinis darbas KE – 1
He - Ne lazerio tyrimas
Darbo užduotys
1. Nustatyti TEM00 modos poliarizacijos laipsnį ir nubrėžti jos diagramą.
2. Ištirti pluošto erdvinį koherentiškumą.
3. Išmatuoti skersinės TEM00 modos skėsties kampą
Kontroliniai klausimai
1. Lygmenų sužadinimas dujiniuose lazeriuose.
2. Kokiu būdu He-Ne lazeryje sukuriama lygmenų apgrąža.
3. Kas yra rezonatoriaus modos. Koks gretimų modų dažnių skirtumas.
4. Kaip atrenkamos skersinės ir išilginės modos.
5. Kaip gaunama poliarizuota lazerio spinduliuotė.
6. Kaip formuojamos lazerio spinduliuotės spektrinės charakteristikos.
7. Lazerinio spinduliavimo galios matavimo būdai.
8. Erdvinis ir laikinis koherentiškumas.
METODINIAI PAAIŠKINIMAI
Tyrimai atliekami surenkant kiekvienai užduočiai optinę grandinę pagal pateikiamas schemas.
Dėmesio! Prieš pradedant darbą, būtina susipažinti su naudojamų prietaisų aprašais ir saugaus
darbo ypatumais.
Naudojami prietaisai:
1. He-Ne lazeris.
2. Energijos (galios) matuoklis.
3. Poliarizatorius.
4. CCD kamera.
5. Optiniai elementai (lęšiai, veidrodžiai, filtrai).
6. Ekranas su skylutėmis.
Pc-link.lnk
Galios matuoklis (Fotodiodinis PH100-Si sensorius) (Naudojimosi programine įranga metodiniai nurodymai)
Galios matuoklio parengimas darbui
Galios matuoklio detektorius (1) sujungiamas su USB interfeisu P-LINK (2), kuris su PC (3)
prijungiamas USB prievadu.
Darbas su programine įranga
Programa atveriama dviem būdais:
1) Darbalaukyje dukart pele paspaudus piktogramą ;
arba
2) „Start > Programs > Gentec-EO > PC-link“
Atvėrus programą atsidaro pagrindinis langas, kuriame yra: eilutė nuskanti programos pavadinimą,
naudotojo meniu, instrumentų bei matuoklio valdymo panelė ir darbinė ekrano dalis (skaičius bei
matavimo vienetas).
Papildomų langų atvėrimas, matuoklio darbo režimo valdymas, įvairios operacijos su
duomenimis, jų išsaugojimas galimas išsirenkant atitinkamas komandas iš programos meniu arba pele
spaudžiant atitinkamas piktogramas.
Programa susijungia su USB interfeisu sekančiai iš vartotojo meniu: „Ctrl > Communication >
Connect...“
Programa automatiškai pasiūlo USB prievadą COM1 arba COM2 arba... COM8. Spaudžiame
OK. Darbiniame lauke vietoje buvusio užrašo „No Detector“ atsiranda „PH100-Si“.
Toliau iš meniu pasirinkdami „Settings > Wavelength > Custom“ nustatome matuojamos
spinduliuotės bangos ilgį 633nm.
Toliau, uždengę lazerio spinduliuotę arba detektorių, iš meniu pasirinkdami
„Ctrl > Zero Offset“ arba pele paspaudę piktogramą nustatome matavimo „nulį“. Nulio
nustatymas gali užtrukti apie 20 s. Galios matuoklis paruoštas darbui.
Matuojamos spinduliuotės galios stabilumą laikui bėgant galime stebėti papildomame
histogramos grafiniame lange pasirinkę iš meniu „Display –> Histogram“ arba pele paspaudę
piktogramą.
Matuojant lazerio spinduliuotės galią papildomai (patogumo dėlei) galime atverti papildomą
analoginį (rodiklinį) grafinį langą pasirinkę iš meniu „Display –> Tuning Needle“ arba pele paspaudę
piktogramą.
Programą užveriame paspausdami .
CCD kamera (Chameleon CMLN-13S2M) (Naudojimosi programine įranga metodiniai nurodymai)
Programos atvėrimas Programa atveriama darbalaukyje dukart pele paspaudus ikoną .
Atvėrus programą atsidaro Valdymo langas (dešinėje) ir 2D skirstinio atvaizdavimo langas (kairėje).
Valdymo langas
Nepertraukiamas kadrų registravimas atliekamas pele paspaudžiant viršutinėje eilutėje esantį
mygtuką MATUOTI . Registravimas stabdomas spaudžiant tą patį mygtuką. Kadro registravimo laikas
nustatomas keičiant Išlaikymas(ms). Pakeitus išlaikymo vertę įvedant laukelyje skaičių reikia
paspausti Enter.
Norint suvidurkinti kelis kadrus reikia pakeisti Vidurkinimas vertę į didesnę nei 1 (ne daugiau
10). Pakeitus vidurkinimo vertę įvedant laukelyje skaičių reikia paspausti Enter.
Kameros nuskaitymų kadrų dažnis nustatomas pasirenkant vieną iš Kadr ų dažnis(kps) verčių.
Kuo mažesnis kadrų dažnis tuo galimas ilgesnis išlaikymo laikas.
Visą išmatuotą 2D skirstinį galima išsaugoti paspaudus Valdymo lange esantį mygtuką
„Saugoti matricą“. Byloje išsaugomas matricos dydis, matricos elemento dydis mikrometrais ir 2D
skirstinys tekstiniu formatu.
Skirstinio horizontalų ir vertikalų pjūvius galima išsaugoti paspaudus mygtuką „Saugoti
pjūvius“. Byloje išsaugomas matricos dydis, matricos elemento dydis, eilutė ir stulpelis (numeracija
pradedama nuo 1), bei pjūvių skirstiniai tekstiniu formatu.
Foninis signalas registruojamas spaudžiant mygtukus MATUOTI , matuojant uždengus lazerinį
šaltinį. Užregistruotas skirstinys išsaugomas paspaudus mygtuką Saugoti foną. Norint atimti iš
užregistruoto signalo foninį skirtinį reikia paspausti mygtuką Atimti fon ą. Registruojamo intensyvumo
skirstinio ir atimamo fono išlaikymo laikai ir vidurkiniams turėtų būti vienodi.
Apatinėje Valdymo lango dalyje yra pateikiama kameros temperatūra ir informacijos langas,
kuriama pateikiama informacija apie naudojamą kamerą ir klaidas.
Dešiniuoju pelės mygtuku spustelėję Valdymo lange atsivėrusioje meniu galima pasirinkti kalbą
ir Valdymo lango bei 2D skirstinio atvaizdavimo lango priderinimą prie ekrano.
2D skirstinio atvaizdavimo langas
„2D Vaizdas“ lange yra atvaizduojamas kameros kadro 2D skirstinys. Apatinėje ir dešinėje
skirstinio atvaizdavimo lange išdėstyta horizontalus ir vertikalus skirstinio pjūviai žymens vietoje, kuri
pasirenkama norimoje vietoje paspaudus pelės kairįjį mygtuką.
Žymens padėtį galima keisti ir spaudžiant klaviatūros rodyklių
mygtukus. Žymens padėties koordinatės mikrometrais (kameros
matricos taškais), intensyvumas ir didinimas nurodyti apatinėje
lango dalyje. Matomos dalies didinimas/mažinimas atliekamas pelės
ratuku arba kompiuterio lietimo panelėje dviem pirštais slenkant aukštyn/žemyn arba kompiuterio
klaviatūroje spaudžiant Page Up/Page Down.
Dešiniuoju pelės mygtuku spustelėję „2D Vaizdas“ lange atsivėrusioje meniu galima pasirinkti
Didinti ar Mažinti matomą skirstinio dalį, kurie pjūviai bus atvaizduojami šiame lange, bei atverti
„Pjūviai“ langą, kuriame bus atvaizduojami pjūviai. Taip pat galima pasirinkti vieną iš keturių
atvaizdavimo spalvinių palečių.
Pjūvių atvaizdavimo langas
„Pjūviai“ lange yra atvaizduojama 2D intensyvumo skirstinio X ir Y pjūviai. Žymens vietą
pasirenkama norimoje vietoje paspaudus pelės kairįjį mygtuką arba vieta keičiama spaudžiant
atitinkamai klaviatūros rodyklių klavišus Dešinėn arba Kair ėn. Žymens padėties koordinatės
mikrometrais ir intensyvumai žymens vietoje nurodyti lango apatinėje dalyje.
Dešiniuoju pelės mygtuku spustelėję „Pjūviai“ lange atsivėrusioje meniu galima pasirinkti
kurie pjūviai būtų atvaizduojami pasirenkant Pjūviai viena iš X ar Y arba abu. Paspaudus atsivėrusioje
meniu Auto Y ašis intensyvumo skalės ribos pritaikomos prie minimalios ir maksimalios pjūvių
verčių. Paspaudus Skalė atsiveria papildomas langas, kuriame galima nurodyti intensyvumo ir padėties
skalės ribas. Pasirinkus Maksimumai randama pjūvių intensyvumų maksimumų padėtys ir vertės,
kurios atvaizduojamos viršutiniame kairiajame lango krašte. Pažymėjus 1/2 arba 1/e^2 meniu Pločiai,
programa apskaičiuoja pluošto pločius 1/2 (50%) ir/arba 1/e2 (13,5%) aukščiuose maksimalios
intensyvumo pjūvio vertės atžvilgiu (Imax/2 ir/arba Imax/e2 aukštyje). Jeigu yra keletas pikų,
apskaičiuojama tik didžiausio piko plotis). Intensyvumų maksimumų padėtys ir vertės, pločiai
atvaizduojami viršutiniame kairiajame lango krašte. Taip pat meniu galima pasirinkti Linijos stor į ir
Šrifto dydį.
1. Nustatyti TEM 00 modos poliarizacijos laipsnį ir nubr ėžti jos diagramą.
Atliekant poliarizacinius matavimus prieš galios matuoklį statomas poliarizatorius (1 pav.). Iš pradžių,
uždengus spinduliavimą patenkantį į matuoklį, nustatomas jo nulis. Po to sukant poliarizatorių kas 10°
(vienos padalos vertė yra 2°) išmatuojama spinduliuotės galia. Polinėje koordinačių sistemoje
nubrėžiama poliarizacijos indikatrisė.
1 pav. Poliarizacijos laipsnio matavimas. Lazeris – He-Ne lazeris, P - poliarizatorius, GM - galios
matuoklis
Sukant poliarizatorių kas 2° tiksliau išmatuojama minimali (Pmin) ir maksimali (Pmax) praėjusios
per poliarizatorių spinduliuotės galią. Iš šių matavimų randamas poliarizacijos laipsnis Kp išreiškiamas
per Pmin ir Pmax sekančiai:
K p=Pmax− P min
Pmax+Pmin. (1)
Praėjusios poliarizatorių spinduliuotės polarizaciją atitinka 0°. Randame, kurioje plokštumoje iškrovos
vamzdžio langai orientuoti Briusterio kampu.
2. Erdvinio koherentiškumo matavimas
Erdvinis koherentiškumas matuojamas stebint dviejų šviesos pluoštelių, išskirtų iš tiriamo
lazerio pluošto, interferenciją. Šiuose matavimuose naudojama schema pateikta 2 pav. Kadangi
pradinis lazerio pluošto skersmuo yra tik apie 1 mm ir sunku tokiame mastelyje padaryti mažas skylutes
ir dar kintamu atstumu, todėl šiuos matavimus atliekame išplėtę pluoštą didinančiu teleskopu. Už
teleskopo statome 50 cm lęšį, o už jo 2 – 4 cm atstumu ekraną su skylučių poromis. Pluoštelių
išskyrimui naudojamas ekranas su 10 poromis skylučių. Siekiant ištirti erdvinį koherentiškumą išilgai
viso lazerinio pluošto atstumas tarp vienos poros (pora laikomos skylutės esančios vienoje
horizontalioje tiesėje) skylučių centrų keičiasi atitinkamai nuo 2 iki 12 mm.
2 pav. Erdvinio koherentiškumo matavimo schema: L – He-Ne lazeris, P – poliarizatorius (siekiant
išvengti CCD kameros soties), T – teleskopas, L – lęšis, ES – ekranas su skylutėmis, EP – ekranas su
plyšiu, CCD – CCD kamera
Kad į CCD kamerą toliau patektų šviesos pluošteliai, praėję tik per vieną skylučių porą, už
ekrano su skylutėmis patalpinamas ekranas su išpjova. Interferencinis vaizdas susidarantis
interferuojant dviem pluošteliams stebimas lęšio židinyje CCD kamera.
3 pav. Dviejų pluoštelių interferencinis vaizdas
Erdvinį koherentiškumą nustatome iš interferencinių juostų kontrastingumo. Tuo tikslu
matuojame interferencinių juostų maksimumų Imax ir minimumų Imin vertes (3 pav.). Juostų matomumą
apskaičiuojame iš formulės:
)r,γ(r(g)I+(g)I
(g)(g)II=
I+I
II=ν(g) 2
2min
,02 11
21
max
minmax −, (2)
čia I1(g) ir I2(g) šviesos pluoštelių, atitinkamai praėjusių pirmąją ir antrąją skylutę, intensyvumai taške
g (t.y. CCD kameros plokštumoje). r1 ir r2 šiuo atveju žymi ekrano skylučių padėtį lazerio pluošte.
Stebėdami interferencinio vaizdo kontrastingumą esant įvairiems atstumams tarp skylučių (tai
yra esant skylutėms įvairiose lazerio pluošto padėtyse (r1 ...rn) išmatuojame interferencinių juostų
kontrastingumą ir randame koeficientą γ (r1,r2,0) charakterizuojantį erdvinį pluošto koherentiškumą.
Šiuo atveju skaitome, kad laikinis užlaikymas tarp interferuojančių pluoštelių lygus nuliui, nes stebime
interferencinį vaizdą, sukuriamą pluoštų, praėjusį lęšį. Šiuose matavimuose stengiamės ekrano skylutes
patalpinti pluošto padėtyse esančiose simetriškai pluošto centro atžvilgiu, kad praėjusių pluoštelių
intensyvumai I1(g), I2(g) būtų lygūs. Tada koeficientas γ(r1,r2,0) yra tiesiog lygus:
γ ( r1 ,r2 ,0)=I max− Imin
I max+I min. (3)
Intensyvumus I1(g) ir I2(g) CCD kameroje (tašku g paprastai pasirenkame tašką, kuriame
interferencinės juostos yra intensyviosios) išmatuojame uždengdami iš pradžių vieną, po to kitą
skylutę. Jei intensyvumai I1(g) ir I2(g) nevienodi koeficientą γ (r1,r2,0) randame iš formulės:
(g)(g)II
(g)I+(g)I
I+I
II=)r,γ(r 2
min2
21
1
max
minmax1
2,0
−. (4)
Iš matavimų brėžiame kreivės γ (r1,r2,0) priklausomybę nuo atstumo (r2 – r1).
Raskite atstumą tarp interferencinių juostų Λ. Eksperimentines reikšmes palyginti su teorinėmis
gautomis iš formulės:
Λ=λ0
2sinQ , (5)
čia λ0 - bangos ilgis, Q - kampas tarp interferuojančių bangų. Kampą Q randame iš išraiškos:
l
rrarctg=Q
22 12 −
, (6)
čia l - atstumas nuo ekrano su skylutėmis iki CCD kameros.
3. Skersinės TEM00 modos skėsties kampo matavimas
Matuoti siūloma dviem būdais, palyginant gautus rezultatus. (Matavimo metu lazerio pluošto
kelyje statomas ND3 filtrą) Pirmuoju būdu matuojamas pluošto skersmuo dviejuose taškuose atstumu z
ir z+∆z nuo kaustikos sąsmaukos plokštumos Ps (4 pav.). Skėsties kampas lygus:
z=Θ
∆− 12 2a2a
2 , (7)
čia 2a1 ir 2a2 - atitinkamai pluošto skersmuo taške z ir taške z+∆z.
4 pav. Skėsties kampo matavimo schema
Skersmuo 2a (I/e2 lygyje) matuojamas stebint erdvinį pasiskirstymą CCD kamera. Tikslesniam
2Θ kampo matavimui ∆z turi būti didesnis nei 50 cm.
Antruoju būdu matuojama šviesos pluošto sąsmaukos skersmuo glaudžiamojo lęšio židinyje (5 pav.).
Kad matavimai būtų tikslesni, reikia parinkti didesnio židinio nuotolio (f1 = 0,5 m) glaudžiantįjį lęšį
GL. Lęšis gali būti statomas ir toli nuo lazerio rezonatoriaus, tačiau tiksliausiai skėstis išmatuojama
tada, kai priekinis GL lęšio F židinys sutampa su kaustikos sąsmaukos Ps plokštuma rezonatoriuje, t.y.,
kai xs = 0, tada atvaizdo plokštuma sutampa su lęšio galiniu židiniu (���� 0) ir ∆ paklaida, parenkant
židinio plokštumą, neryškiai mažina matavimo tikslumą. Lazerio sąsmauka sutampa su išvadinio
plokščio veidrodžio padėtimi, todėl lęšį statome atstume fl nuo išvadinio veidrodžio. Šiuose
matavimuose keisdami CCD kameros vietą apie glaudžiamojo lęšio židinio plokštumą (± 5 cm)
randame mažiausią sufokusuoto pluošto skersmenį 2af ir apskaičiuojame skėsties kampą:
1
2a2Θ
f= f
. (8)
5 pav. Skėsties kampo matavimo schema
Palyginame eksperimentinius rezultatus su He–Ne lazerio gamintojų pateikta verte 2ΘG = 1,3 mrad.
Literat ūra
1.W. T.Silfvast, Laser fundamentals, (Cambridge University Press,Cambridge, 2004 ),
2. O.Svelto, Principles of lasers, 5th ed.(Springer,New York, 2010),
3. B.E.A.Saleh, M.C.Teich, Fundamentals of photonics, (J. Wiley, New York, 1991),
4. A.Yariv, Quantum electronic, 3rd ed. (J.Wiley, New York, 1988).
5. P.W.Milonni, J.H. Eberly, Laser physics (Wiley, Hoboken, 2010),
6. N.Hodgson, H.Weber, Laser resonators and beam propagation: fundamentals, advanced
concepts and applications, 2nd ed. (Springer, New York, 2005).
top related