Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
Лабораторные работы по оптоэлектронике Исследование основных параметров полупроводникового лазера Электронно-дырочный переход Квантовая физика Полупроводниковые детекторы оптического излучения

Лабораторные работы по оптоэлектронике Квантовая физика

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа №3

Оценка расходимости пучка лазерного излучения

Цель работы: Провести оценку расходимости излучения лазера по измерениям профиля лазерного пучка.

Задачи, решаемые в работе:

Ознакомиться с методикой оценки расходимости излучения лазера по измерениям распределения интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения. Включение R, L на постоянное напряжение

Ознакомиться с экспериментальной методикой реализации «метода сканирующего ножа», применяемой в данной работе для измерения распределения интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения.

Провести измерения распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка на различных расстояниях от выходного окна источника излучения и оценить расходимость излучения исследуемого лазера в режиме лазерной генерации. 

Провести измерения и сравнить профиль пучка лазерного излучения в режиме лазерной генерации и в режиме светоизлучающего диода (Усложненный вариант лабораторной работы).

Провести измерения распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка на различных расстояниях от выходного окна источника излучения и оценить расходимость излучения исследуемого лазера в режиме светоизлучающего диода (Усложненный вариант лабораторной работы).

Сведения из теории

Оценка расходимости пучка излучения.

Определение расходимости пучка лазерного излучения производится путем сравнения распределений интенсивности I(x), полученных на разных расстояниях (y1 и y2) от выходного окна источника излучения (см. рис.1). Сравнение производится по интервалу значений Dx, внутри которого интенсивность пучка превышает 50% от максимального значения (так называемая «полуширина» распределения интенсивности, или «полуширина пучка»).

Рис.1.Схема, поясняющая методику оценки расходимости излучения.

а – геометрия схемы в плоскости yz: 1 – источник излучения; Δφ – расходимость пучка излучения в плоскости yz; y1, y2 - расстояние от выходного окна источника излучения при проведении измерений профиля пучка излучения. б – распределение интенсивности в сечении пучка излучения по координате x (профиль пучка излучения) на разных расстояниях (y1 и y2) от выходного окна источника излучения; Dx1 – полуширина пучка при y1; Dx2 – полуширина пучка при y2.

Расходимость пучка (D y) оценивается по следующей формуле

 Dy = (Dx2 – Dx1)/(y2 – y1) (1).

В работе необходимо оценить расходимость пучка излучения при двух режимах работы источника излучения, которые характеризуются различными значениями тока через p-n переход.

Использование метода сканирующего ножа для измерения размера перетяжки каустики гауссова пучка.

При исследовании распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка может быть использован метод сканирования пучка прямолинейным краем полуплоскости, который получил название «Метод сканирующего ножа» [1,2] .

Рассмотрим применение данного метода для исследования поперечного сечения пучка, распределение интенсивности в котором можно описать функцией Гаусса.

Как правило, данный метод используется для измерения размера перетяжки каустики гауссова пучка и состоит в следующем.

 Поперечное распределение интенсивности в одномодовом гауссовом пучке можно описать с помощью соотношения 

   (1),

где r - радиальная координата (0 – центр пучка), ω - характеристический радиус гауссова пучка (измеряется по уровню 1/е2 ), I0 – нормировочный коэффициент.

Если такой пучок перекрывать прямолинейным краем полуплоскости (край ножа), как показано на рис.2, то поток Ik оставшейся части пучка

Рис.2.Перекрытие лазерного пучка краем полуплоскости

будет зависеть от положения координаты х края полуплоскости следующим образом

  (2),

где I1 – нормировочный коэффициент.

Зависимость Ik(x) приведена на рис.3. При исследовании формы пучка и сравнении с функцией Гаусса зависимости, полученной дифференцированием функции Ik(x) по координате х, необходимо определить величину ω. Для этого требуется измерить половину расстояния между точками по оси координат х (поперек пучка), в которых интенсивность достигает величин 0.033 и 0.977 от максимального значения.

Рис.3.Зависимость потока Ik части гауссова пучка «вне ножа» от координаты х края перекрывающей его полуплоскости (величина 2ω определяется по уровням 0.033 и 0.977 от максимального значения)

Использование метода сканирующего ножа для измерения распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка.

Форма пучка излучения исследуемых лазеров может отличаться от функции Гаусса, но метод сканирующего ножа может быть использован для оценки профиля лазерного пучка по одной из координат, например, по координате х, при условии, что интенсивность лазерного пучка в перпендикулярном направлении (например, по координате z) не изменяется. При выполнении данной работы предполагается именно такая ситуация. Пучок излучения исследуемых лазеров в плоскости xz имеет вид полоски (~2х5 мм), вытянутой по координате z, из которой для проведения измерений вдоль оси х вырезается центральная часть (~2мм), что позволяет считать распределение интенсивности исследуемого пучка в направлении z равномерным.

В этом случае распределение интенсивности пучка по координате х может быть получено простым способом - дифференцированием функции Ik(x) по х. На рис.4, для наглядности в качестве примера представлены функции Ik(x) для трех различных математических распределений интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка: прямоугольного, треугольного, гауссова.


Рис.4. Вид функции Ik(x) (поток излучения «вне ножа») для трех различных математических распределений интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка: прямоугольного (а), треугольного (б), гауссова (в).

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение нагретых тел в широком диапазоне частот. Если несколько нагретых излучающих тел окружить идеально отражающей оболочкой, то внутри оболочки установится термодинамическое равновесие т.е. температуры всех тел станут равными, а распределение энергии между телами и излучением не будет изменяться со временем. Такое излучение, находящееся в равновесии с излучающими телами называют равновесным.
Сравнение быстродействия p-n и p-i-n диодов