Лазаренко А.Г., Муссил В.В., Лемешевская Е.Т. Методические указания к лабораторным работам по курсу Квантовая радиофизика и нелинейная оптика - файл n1.doc

Лазаренко А.Г., Муссил В.В., Лемешевская Е.Т. Методические указания к лабораторным работам по курсу Квантовая радиофизика и нелинейная оптика
скачать (1002 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1002kb.06.11.2012 18:00скачать

n1.doc

1   2   3   4

Методика выполнения работы


Структурная схема лабораторной установки изображена на рис. 2. Установка содержит: гелий-неоновый лазер ЛГН, состоящий из источника питания ИП-17 и излучателя ИЛГН-215; оптическую линию задержки ОЛЗ; измеритель средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н, состоящий из измерительной головки 1, калиброванной диафрагмы Д, укрепленной на корпусе измерительной головки перед ее входным отверстием и блока регистрации 2.

ЛГН-215 является газовым лазером непрерывного действия, активной средой в котором служит смесь гелия и неона. Его рабочая длина волны – 632,8 нм, максимальная мощность – 50 мВт. Для накачки энергией атомов неона, происходящей при их столкновениях с возбужденными атомами гелия и электронами в плазме тлеющего газового разряда, нужна мощность порядка 100 Вт.

Калиброванная диафрагма Д дает возможность плавно изменять радиус лазерного пучка, который подается на вход измерительной головки ИМО-2Н. Шкала лимба диафрагмы проградуирована в миллиметрах.

Для определения выходной мощности лазера Р0 нужно измерить мощность излучения на нескольких расстояниях от излучающей апертуры (порядка нескольких) метров. В лабораторной установке для дискретного изменения расстояния между излучателем лазера и измерителем ИМО-2Н используется многократное отражение лазерного пучка от плоскопараллельных зеркал оптической линии задержки (ОЛЗ), устройство которой показано на рис.  3. Расстояние между зеркалами ОЛЗ равно L = 1,2 м. Излучение выводится из ОЛЗ с помощью подвижного зеркала, которое располагается в универсальном держателе, позволяющем управлять выходящим лучом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Если лазерный луч совершит N отражений от зеркал ОЛЗ, то расстояние от плоскости поперечного сечения луча, в котором измеряется мощность, до излучающей апертуры составит z = NL и мощность излучения в плоскости диафрагмы будет равна

, (4)

где – коэффициент отражения от одного зеркала. При этом, как следует из формулы (2), радиус пучка будет равен .

На рис. 4 показан график зависимости lgР от числа отражений пучка от зеркал N. При малых N (N < Nmax) радиус лазерного пучка остается значительно меньшим радиуса диафрагмы (rп << R) и указанная зависимость носит линейный характер. Таким образом, если измерить мощность излучения, прошедшего через диафрагму при нескольких значениях N < Nmax, то линейно продолжив график lgР(N) до пересечения с осью ординат можно найти lgР0, а значит и выходную мощность излучения лазера Р0.

Измерения радиуса пучка в нескольких поперечных сечениях, которые отстоят от излучающей апертуры на несколько метров, позволяют определить угловую расходимость лазерного излучения. Эти измерения легко осуществить путем подбора таких радиусов диафрагмы, при которых, мощность, измеряемая ИМО-2Н, удовлетворяет равенству P(rп) = 0,63P0 при каждом выбранном значении числа отражений луча N в ОЛЗ. Далее следует построить график зависимости rп(z) = rп(Nl) и провести к нему асимптоту. Удвоенный угол наклона этой асимптоты к оси абсцисс равен искомой угловой расходимости пучка .

Порядок выполнения работы


  1. Используя технические описания, ознакомиться с устройством лазера ЛГН-215 и измерителя мощности ИМО-2Н.

  2. Подготовить к работе ИМО-2Н

2.1. Поставить тумблер «Сеть» в нижнее положение, переключатель рода работ – в положение «Арретир». Включить вилку прибора в сеть. Выключатель сети поставить в положение «Сеть”. При этом должна загореться сигнальная лампочка.

2.2. Прогреть прибор в течение 30 мин.

  1. Подготовить к работе и включить лазер ЛГН-215

3.1. Установить тумблер «Сеть» на передней панели блока питание в нижнее положение, переключатель «Ток» – в положение 3, регулятор «Ток» - в положение «Макс».

3.2. Присоединить источник питания к сети с помощью сетевого кабеля. Установить тумблер «Сеть» в верхнее положение. При этом должна загореться сигнальная лампочка «Сеть» и через 0,5...2 мин - лампочка «Высокое»; при этом миллиамперметр, установленный на передней панели источника питания, покажет ток разряда. На выходе излучателя появиться видимый луч лазерного излучения.

  1. Произвести калибровку измерителя мощности ИМО-2Н

4.1. Перевести переключатель рода работ ИМО-2Н в положение “Измерение мощности», а переключатель пределов измерения мощности – в положение «0,01». Ручкой «Установка нуля» выставить нуль прибора на передней панели блока регистрации.

4.2. Перевести переключатель рода работ в положение «Калибровка». Через 5 мин на приборе блока регистрации должно установиться отклонение стрелки 100 ± 5 делений. В противном случае добиться этого, вращая ручку регулировки «Усиление».

  1. Определение мощности излучения лазера

5.1. Полностью открыть диафрагму на входе измерительной головки
ИМО-2Н. Установить выходное зеркало ОЛЗ так, чтобы луч лазера трижды отразился от зеркал ОЛЗ (N = 3). С помощью регулировочных винтов универсального держателя направить луч лазера во входное отверстие измерительной головки так, чтобы угол между осями лазерного пучка и измерительной головки не превышал 200. Выбрать диапазон измерения мощности так, чтобы прибор не зашкаливал, измерить и записать мощность излучения на выходе ОЛЗ.

5.2. Повторить измерения мощности для значений N = 5, 7, 9, 11, 13.

5.3. Построить график зависимости lgР от N и по нему определить выходную мощность излучения лазера Р0 и максимально допустимое число отражений от зеркал Nmax, до которого этот график имеет линейный характер.

  1. Определение угловой расходимости пучка лазерного излучения

6.1. Вновь установить выходное зеркало ОЛЗ таким образом, чтобы число отражений N было равно 3. Установить минимальный радиус диафрагмы. После установления показаний прибора постепенно открывать диафрагму до тех пор, пока мощность излучения, которое прошло через ее, не будет составлять 63% от мощности излучения на выходе ОЛЗ. По показанием лимба диафрагмы определить радиус лазерного пучка.

6.2. Повторить измерения радиуса пучка при тех N, которые меньше Nmax.

6.3. Построить график зависимости радиуса лазерного пучка от N. На графике провести асимптоту и определить угловую расходимость лазерного излучения как удвоенный угол наклона этой асимптоты к оси абсцисс.

  1. Выключить лазер ЛГН-215 и прибор ИМО-2Н

7.1. Установить тумблер «Сеть» на передней панели ИП-17 в нижнее положение. Отключить кабель источника питания от сети.

7.2. Установить переключатели режимов работы и пределов измерения на передней панели ИМО-2Н соответственно в положения «Арретир» и «10 Дж», выключатель сети блока регистрации установить в нижнее положение, отсоединить прибор от сети.

  1. Сопоставить результаты измерения мощности лазерного излучения и угловой расходимости пучка с паспортными данными лазера.

Контрольные вопросы:

  1. Чем отличается основная мода лазерного излучения от других мод?

  2. Чем ограничивается максимальное число отражений лазерного излучения от зеркал ОЛЗ при расчете параметров излучения?

  3. Как изменится максимально допустимое число отражений от зеркал ОЛЗ при увеличении коэффициента отражения зеркал?

  4. Чем ограничивается максимальная мощность излучения гелий-неонового лазера?

  5. Чему равна мощность лазера ЛГН-215? Расходимость пучка? Длина волны излучения? КПД?

  6. Можно ли изменить длину волны индуцированного излучения в лазере, используемом в данной работе? Почему?

  7. Какова система охлаждения в данном лазере? Почему?

Лабораторная работа №3

Определение угловой расходимости инфракрасного излучения полупроводникового лазера

Цель работы – измерение расходимости пучка излучения полупроводникового лазера с визуализацией электронно-оптическим преобразователем.

Общие сведения

Полупроводниковые лазеры (ППЛ) в настоящее время являются наиболее массовым типом лазера. Их годовой выпуск достигает миллионов экземпляров. ППЛ широко используются в устройствах записи и считывания информации (СD-ROM, CD-проигрыватель), волоконных линиях связи, лазерных принтерах и других современных приборах. Полупроводниковые лазеры имеют такие практические достоинства:

Недостатки полупроводниковых лазеров являются следствиями их достоинств: малые размеры приводят к низким значениям выходной мощности; как и все приборы полупроводниковой электроники, ППЛ чувствительны к оптическим перегрузкам и перегреву.

Лазерная генерация получена при использовании нескольких десятков полупроводниковых материалов. Наибольшее распространение получили ППЛ на основе арсенида галлия (GaAs) и более сложных соединений типа (Ga + Al)As, (Ga + In)As, Ga(As + P) и других. Для ограничения размеров области, в которой возникает усиление, и повышения ее волноводных свойств используют многослойные гетероструктуры. Заметим, что только применение двойных гетеропереходов позволило разработать полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Наиболее распространенным типом накачки ППЛ является возбуждение полупроводников постоянным током, который пропускается через полупроводниковый диод в прямом направлении. Весьма высокой эффективностью обладает также электронно-лучевая накачка, приводящая к генерации лазерного излучения, в том числе и коротковолнового диапазона.

ППЛ изготавливаются методами, применяемыми при изготовлении других полупроводниковых элементов. Поэтому бурное развитие технологии микроэлектроники позволяет постоянно совершенствовать ППЛ.

увеличивается их мощность, долговечность и другие параметры, в частности, длина волны излучения продвигается все дальше в коротковолновую (ультрафиолетовую) область. Мощности единичных лазерных диодов, работающих в непрерывном режиме, достигают в настоящее время 1 Вт для красной области видимого спектра и 2 Вт для инфракрасного (ИК) диапазона.

На одной кристаллической подложке размером около 10 х 0,1 х 0,5 мм удается разместить параллельно друг другу сотни лазеров («линейка лазеров» - laser bar), с суммарной выходной мощностью в десятки ватт и пороговыми токами накачки более 10 А. Укрепленные на теплоотводах, линейки можно смонтировать в стопку (матрицу лазеров - laser stack), суммарная мощность излучения которых достигает сотен ватт. Снабженные соответствующими микролинзами для коллимации пучков единичных лазеров, такие матрицы дают пучки, по своим параметрам пригодные для обработки (резки, сварки и пр.) не только пластика, дерева и т.п., но и металлов.

Диаграмма направленности (ДН) полупроводниковых лазеров изображена на рис. 1 (а – зависимость мощности излучения ППЛ от угла расходимости , б – главный лепесток ДН). Она существенно шире, чем у газовых лазеров, где угловые размеры ДН определяются в основном дифракционной расходимостью излучения. Кроме того, диаграмма направленности полупроводникового лазера несимметрична: она примерно в два раза шире в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n перехода, чем в плоскости самого перехода. В случае, когда ППЛ генерирует несколько мод, наблюдается несколько боковых лепестков ДН в дальней зоне. Для уменьшения расходимости пучка полупроводниковые лазеры часто оборудуют компенсирующей оптической системой. В этом случае ППЛ создает гауссов пучок почти кругового сечения.

И


Рис. 1
злучающая апертура ППЛ (заштрихованная область на рис. 1б) представляет собой эллипс, имеющий примерные размеры 1 X 5 мкм.

Большинство современных полупроводниковых лазеров работают в ИК диапазоне длин волн, что существенно затрудняет измерение параметров их пучков с использованием визуально-оптических методов. Для наблюдения инфракрасного излучения в системах оптического контроля применяют электронно-оптические преобразователи (ЭОП).

Простейший ЭОП (рис. 2) представляет собой вакуумированную стеклянную колбу 4 в виде стакана с параллельными передней и задней стенками, на которые нанесены соответственно полупрозрачный фотокатод 3 и флюоресцирующий экран с полупрозрачным электродом 5. Между электродами прикладывают ускоряющее напряжение порядка нескольких киловольт. Изображение объекта 1 в ИК лучах проецируется объективом 2 на фотокатод 3. Вылетевшие из фотокатода электроны ускоряются электрическим полем и, бомбардируя экран 5, вызывают его свечение. Интенсивность свечения отдельных точек экрана определяется интенсивностью электронного потока, которая, в свою очередь, зависит от яркости освещения фотокатода ИК излучением объекта. Таким образом, невидимое изображение, созданное объективом 2 на фотокатоде 3, преобразуется в видимое изображение на экране 5.

Максимальная разрешающая способность простейшего ЭОП не превышает 10-12 линий/мм, для ее увеличения используют электростатическую или магнитную фокусировку электронов. Для повышения чувствительности ЭОП применяют последовательное включение двух или более ЭОП (т.н. каскадные, или многокамерные преобразователи). Другой путь увеличения чувствительности – усиление электронного потока при помощи микроканальных пластин (в микроканалах электроны при движении между стенками ускоряются электрическим полем, а при столкновениях со стенками каналов – выбивают за счет полученной от поля энергии вторичные электроны). В настоящее время серийно производятся ЭОП второго и третьего поколений с микроканальными пластинами, увеличивающими яркость изображения в 30000 и 50000 раз соответственно. На практике это означает, например, увеличение расстояния обнаружения человека в ночных условиях (при четверти Луны или 0,0005 люкс) с 50 м невооруженным глазом до 330 и 550 м.
1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации