Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Politechnika Gdańska
WYDZIAŁ ELEKTRONIKI
TELEKOMUNIKACJI I INFORMATYKI
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych
Pomiar drogi koherencji
wybranych źródeł światła
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Nr 4
Gdańsk, 2009 r.
1. Wprowadzenie
Koherencja (inaczej spójność) jest to cecha promieniowania bezpośrednio związana ze
zjawiskiem interferencji. Badane światło możemy uznać za spójne, jeżeli w wyniku
superpozycji fal składowych powstaje stały w czasie obraz interferencyjny, czyli
naprzemienny układ jasnych i ciemnych prążków. Różnica faz docierających do danego
punktu fal jest wtedy stała, a koherencja stanowi miarę zgodności fazowej owych fal.
Kontrast, czyli widzialność prążków interferencyjnych jest największy, gdy nakładają
się wiązki światła o maksymalnej spójności. Mierząc kontrastowość obserwowanych
prążków, można zatem oszacować stopień koherencji dwóch fal. Im mniejsza spójność, tym
mniej wyraźny będzie obserwowany obraz interferencyjny, co zostało zaprezentowane na
rysunku poniżej.
Rys. 1. Obraz prążków interferencyjnych przy malejącej spójności promieniowania.
Wyróżniamy dwa typy spójności: czasową i przestrzenną. W przypadku spójności
czasowej, istotna jest zdolność wiązki światła do interferencji z jej częścią opóźnioną
czasowo, ale nie przesuniętą w przestrzeni. Rozpatrujemy tutaj podział amplitudy wiązki. W
przypadku spójności przestrzennej, mówimy o zdolności wiązki do interferencji z oddzieloną
przestrzennie, lecz nie opóźnioną w czasie, jej częścią. Taki podział wiązki nosi nazwę
podziału frontu falowego. Ponieważ, jak wspomniano, koherencja określa zdolność światła do
interferencji, w celu pomiaru drogi koherencji możemy posłużyć się interferometrem.
1.1.
Zasada działania interferometru Michelsona
W niniejszym ćwiczeniu, układem wykorzystywanym do uzyskania interferencji dwóch
promieni jest interferometr Michelsona. W celu rozdzielnia padającego promieniowania na
dwie wiązki, które będą ze sobą interferować, wykorzystuje się tzw. dzielnik wiązki (ang.
beam splitter). Mówimy wtedy o interferencji z podziałem amplitudy, zatem badanym typem
koherencji jest koherencja czasowa. Schemat interferometru Michelsona przedstawiono na
rysunku 2.
M1
S
BS
M2
E
Rys. 2. Ilustracja zasady działania interferometru Michelsona.
2
Światło pochodzące ze źródła punktowego S jest rozdzielane przez dzielnik wiązki BS
na dwie prostopadłe względem siebie wiązki. Padają one odpowiednio na zwierciadła M1 i
M2, odbijają się od nich, wracają do półprzepuszczalnego zwierciadła BS i stamtąd trafiają na
ekran E. W wyniku nakładania się tych dwóch wiązek, na ekranie obserwujemy obraz
interferencyjny.
1.2.
Właściwości badanych źródeł promieniowania
W trakcie ćwiczenia badane są dwa typy laserów: laser helowo – neonowy (He-Ne)
oraz półprzewodnikowy (dioda laserowa). Laser helowo – neonowy jest narzędziem szeroko
stosowanym w systemach optycznych i optoelektronicznych. Emituje on promieniowanie
barwy czerwonej, o długości fali 633nm, co jest jego dużą zaletą, ponieważ jest to światło
łatwo widoczne przez ludzkie oko, nawet przy niewielkiej mocy tego promieniowania. Drugą
ważną cechą lasera He-Ne jest bardzo mała rozbieżność wiązki, rzędu 0,1mrad, co umożliwia
łatwe ogniskowanie jego promienia. Badana w tym ćwiczeniu dioda laserowa również
emituje promieniowanie barwy czerwonej. Ponadto, charakteryzuje się ona małą mocą
optyczną i dużą wydajnością (stąd też w wielu dziedzinach lasery półprzewodnikowe
zastąpiły lasery helowo – neonowe). Dodatkowym atutem tego typu źródeł jest bardzo mały
rozmiar, jednak najistotniejszą wadą jest niestety duża rozbieżność wiązki.
Najistotniejszym, z punktu widzenia pomiaru drogi koherencji, parametrem obu typów
laserów jest ich szerokość widmowa. Widmo lasera helowo – neonowego charakteryzuje się
bardzo małą szerokością, natomiast szerokość spektralna diody laserowej jest znacznie
większa. Zostało to zaprezentowane na rysunku 3.
Rys. 3. Przykładowe charakterystyki widmowe lasera He – Ne oraz diody laserowej.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z istotą zjawiska koherencji promieniowania oraz
pomiar drogi koherencji dwóch wybranych typów laserów: helowo – neonowego oraz
półprzewodnikowego. Demonstruje ono powiązanie stopnia koherencji promieniowania z
jego zdolnością do interferencji oraz szerokością widmową.
3
3. Opis układu pomiarowego
Stanowisko laboratoryjne do pomiaru drogi koherencji (rys. 4) składa się z:
1. Badany laser,
2. Kolimator wiązki (lunetka),
3. Interferometr Michelsona, w skład którego wchodzą:
A. Zwierciadło M1,
B. Zwierciadło M2,
C. Dzielnik wiązki BS,
4. Ekran,
5. Detektor z miernikiem mocy promieniowania,
6. Oscyloskop.
M1
Kolimator
Szyna, wzdłuż której
przesuwa się
zwierciadło.
Źródło
BS
M2
Detektor
Oscyloskop
Rys. 4. Stanowisko pomiarowe.
4. Przebieg pomiarów
Procedura postępowania jest taka sama dla każdego wybranego typu lasera. Po
zamontowaniu badanego obiektu (lasera półprzewodnikowego lub helowo – neonowego) na
wejściu (1), należy skalibrować układ. W tym celu:
1. Ustawiamy laser w osi z kolimatorem tak, aby jego promieniowanie, po przejściu
przez dzielnika wiązki, odbijało się od obu zwierciadeł.
2. Zwierciadło M2 ustawiamy w położeniu zerowym, czyli w takiej samej odległości
od dzielnika wiązki, w jakiej znajduje się zwierciadło M1.
3. Na ekranie powinniśmy zaobserwować wtedy dwie, równej wielkości plamki.
4
4. Kolejnym krokiem jest wyjustowanie zwierciadeł, za pomocą śrub znajdujących się
na ich obudowach, tak by możliwe było zaobserwowanie na ekranie zjawiska
interferencji (plamki nakładają się na siebie i tworzą obraz prążkowy).
Po uzyskaniu wyraźnego obrazu interferencyjnego, należy w miejscu ekranu ustawić detektor
podłączony do miernika mocy promieniowania. Zakres miernika należy ustawić tak, aby nie
było przekroczenia zakresu. Przebieg z detektora należy obserwować na podłączonym do
miernika mocy promieniowania oscyloskopie (gniazdo z tyłu miernika mocy
promieniowania).
Przebieg na oscyloskopie powinien zmieniać się w pewnym przedziale, ze względu na
naturalną niestabilność położenia prążków interferencyjnych (wpływ drgań układu). Należy
odczytać i zanotować skrajne wartości przebiegu, odpowiadające mocy jasnych i ciemnych
prążków w obrazie interferencyjnym.
Po zanotowaniu wyników, zwierciadło M2 przesuwamy wzdłuż szyny na pożądaną
odległość (min. 0,5cm) i powtarzamy pomiar. Przy każdorazowym przesunięciu zwierciadła,
nie jest konieczna kalibracja całego układu. Niezbędne jest jedynie dostrojenie odsuniętego
zwierciadła, tak aby ponownie uzyskać obraz prążkowy na ekranie. Procedurę powtarzamy do
momentu, kiedy na ekranie nie da się już uzyskać wyraźnego i mierzalnego obrazu
interferencyjnego.
5. Opracowanie wyników
1. Na podstawie uzyskanych wartości maksimów i minimów dla każdego położenia
zwierciadła, obliczamy kontrast interferencyjny. Wielkością bezpośrednio mierzoną w
układzie jest napięcie, jest ono jednak proporcjonalne do natężenia prążków
interferencyjnych obserwowanych na ekranie, możemy je zatem podstawić
bezpośrednio do wzoru na widzialność:
2. Tak obliczoną wartość kontrastu należy wykreślić w funkcji zmiany odległości
zwierciadła M2 dla obu typów laserów. Wartości kontrastu przedstawiamy w sposób
unormowany, przyjmując wynik maksymalny jako 100%. Drogę koherencji
określamy jako spadek wartości kontrastu do 40% maksimum. Porównaj drogi
spójności badanych laserów.
3. Po wyznaczeniu drogi koherencji obu laserów, w oparciu o ich charakterystyki
spektralne (rys.3) odpowiedz na pytanie, jaki jest związek pomiędzy szerokością
widmową a drogą koherencji źródeł światła.
5
KARTA POMIAROWA
1. LASER HE – NE
Odległość
zwierciadła
M2
Natężenie
maksymalne
Natężenie
minimalne
Kontrast
2. LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY
Odległość
zwierciadła
M2
Natężenie
maksymalne
Natężenie
minimalne
Kontrast
6