Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

Laboratorium
techniki
laserowej
Ćwiczenie
2. Badanie profilu wiązki laserowej
1.
Katedra Optoelektroniki i
Systemów
Elektronicznych, WETI,
Politechnika Gdaoska
Gdańsk 2006
Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej
1. Wstęp
Pomiar profilu wiązki jest podstawowym pomiarem pozwalającym określić rozkład
intensywności w przekroju poprzecznym wiązki. Na podstawie znajomości tego rozkładu można
określić, w jakim stopniu dana wiązka generowana przez laser jest wiązką gaussowską. Pozwala to
ustalić czy dany laser generuje mod podstawowy, co ma istotne znaczenie w zastosowaniach lasera.
Dla wiązki laserowej definiuje się tzw. współczynnik jakości wiązki M2, związany z rozkładem
pola w przekroju poprzecznym wiązki. Wartość tego współczynnika dla modów wyższych rzędów
TEMKL można wyznaczyć na podstawie zależności:
M2 =2K + L + 1
(1)
Poniżej na rysunku 1. przedstawiono typowe wartości współczynnika jakości wiązki dla modów
wyższych rzędów.
Rysunek 1. Rozkład intensywności w wiązce oraz wartość współczynnika jakości wiązki M2 dla
modów wyższych rzędów.
2. Metody pomiaru profilu wiązki
Obecnie stosuje się trzy metody pomiaru profilu wiązki lasera z wykorzystaniem następujących
przesłon do skanowania wiązki:
• szczelina,
• pinhol (kołowy otwór pomiarowy),
• przysłona nożowa (tzw. nóż Foucault’a).
Skanowanie odbywa się w kierunku poprzecznym do kierunku rozchodzenia się wiązki przy
jednoczesnym pomiarze natężenia światła za pomocą detektora umieszczonego tuż za przesłoną.
W charakterze detektora światła zwykle stosuje się fotodiodę krzemową, germanową lub detektor
piroelektryczny. Wykorzystanie przesłony o odpowiednim kształcie zależy od warunków
pomiarowych:
• Szczelina: metoda ta jest łatwa do wykorzystania i dokładna w wypadku profili
gaussowskich. Dla innych profili otrzymuje się błędne wyniki pomiaru. Z uwagi na sumowanie
(całkowanie) natężenia światła wzdłuż szczeliny pomiar profilu wiązki nawet nie-gaussowskiej
Laboratorium techniki laserowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 2
Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej
•
•
zawsze wykazuje profil gaussowski. Dlatego szczelinę wykorzystuje się wyłącznie do pomiaru
profili gaussowskich. Szerokość szczeliny powinna być co najmniej 20-krotnie mniejsza od
szerokości badanej wiązki (standardowe szczeliny mają wymiary 2.5^mx1 .5mm oraz
25jimx10mm).
Pinhola: kołowy otwór pomiarowy stosować można do pomiaru profili o dowolnym kształcie,
również nie-gaussowskim. Pomiar jest bardzo dokładny, bez błędu całkowania, ale trudny
do realizacji ze względu na konieczność dokładnego ustawienia pinholi w środku badanej
wiązki. Z tego powodu metoda polecana jest do wykorzystania głównie w przyrządach
laboratoryjnych. Wielkość średnicy pinholi, podobnie jak szerokość szczeliny określa
rozmiar średnicy badanej wiązki. Typowe pinholi pomiarowych to 5µm, 25µm.
Nóż Foucault’a: ten rodzaj przesłony stosuje się do pomiaru profili wiązek o bardzo małej
średnicy, np.: 0.5nm-25µm. Przy wykorzystaniu dwóch noży osiąga się bardzo dużą dokładność
pomiaru profilu wiązki o dowolnym kształcie, nie tylko gaussowskim. W tym wypadku
wykorzystuje się dwa noże Foucaulta ustawione względem siebie pod kątem prostym a
skanowanie odbywa się w kierunku tworzącym kąt 45° z krawędziami obu noży.
W ćwiczeniu laboratoryjnym została metoda pomiaru rozkładu intensywności światła w
przekroju poprzecznym wiązki wykorzystująca piniolę.
Skanując wiązkę laserową i dokonując pomiaru mocy optycznej padającej na fotodiodę,
możemy wyznaczyć graficznie rozkład intensywności w przekroju poprzecznym wiązki. Na tej
podstawie możemy określić średnicę wiązki (jako odległość między takimi punktami wiązki w
przekroju głównym, w których intensywność jest e2 razy mniejsza od wartości maksymalnej), a
następnie pozostałe parametry wiązki.
3. Metoda pomiaru średnicy wiązki
Pomiar średnicy wiązki generowanej przez laser w określonym przekroju jest pomiarem
podstawowym, który poza rozkładem pola w danym przekroju pozwala ustalić kąt rozbieżności
wiązki, jej parametr konfokalny, a także położenie przewężenia. Zgodnie z definicją średnicy
wiązki gaussowskiej, naszym zadaniem jest znaleźć odległość między takimi punktami wiązki w
przekroju głównym, w których intensywność jest e 2 razy mniejsza od wartości maksymalnej.
Pomiar, którego zasada jest związana z definicją średnicy wiązki, można wykonać skanując
wiązkę za pomocą pinioli o odpowiednio małej średnicy (średnica pinioli << średnica wiązki). Pomiar
taki wykonywany będzie w ćwiczeniu laboratoryjnym, jest jednak dość uciążliwy i czasochłonny.
Wymaga pomiaru punkt po punkcie rozkładu intensywności wiązki w tzw. przekroju głównym, a więc
w miejscu największej średnicy wiązki. Skanowanie w innym niż głównym przekroju prowadzi do
błędów określenia szerokości (średnicy) wiązki. Zaletą tej metody jest możliwość pomiaru wiązki o
dowolnym kształcie (w przekroju poprzecznym), np. przy występowaniu tzw. listków bocznych.
Szybciej do uzyskania szerokości wiązki dochodzi się przez przysłonięcie wiązki określoną
przysłoną i wyznaczenie stosunku mocy Ф wiązki przechodzącej przez przysłonę Ps do mocy całej
wiązki P (rysunek 2).
PS
(2)
P
Na podstawie obliczonego stosunku i odpowiednich tabel można szybko określić średnicę badanej
wiązki. Warunkiem jest jednak, aby wiązka była wiązką gaussowską.
Laboratorium techniki laserowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 3
Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej
Rysunek 2. Pomiar średnicy wiązki przez wyznaczenie stosunku mocy wiązki
4. Metoda pomiaru kąta rozbieżności wiązki
Pomiar kąta rozbieżności wiązki bazuje na pomiarze średnicy wiązki. Mierząc średnicę wiązki
w trzech różnych miejscach odległych odpowiednio o z, z+∆z, z-∆z od przewężenia (rys. 4) przy
czym z nie jest wartością znaną, można przy, danej wartości długości fali ustalić wszystkie parametry
wiązki.
Rysunek 3. Wyznaczenie parametrów wiązki gaussowskiej przez pomiar średnicy wiązki w trzech
przekrojach.
Stosując zależność:
(3)
dla trzech wspomnianych położeń otrzymamy:
(4)
Rozwiązując powyższy układ równań i wyznaczając 2θ otrzymamy interesującą nas zależność
pozwalającą wyznaczyć kąt rozbieżności wiązki:
Laboratorium techniki laserowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 4
Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej
(5)
Wyrażenie powyższe pozwala przy ustalonej wartości ∆z i pomierzonych średnicach 2W, 2W+, 2Wznaleźć kąt rozbieżności wiązki 20. Znajomość tego parametru pozwala wykorzystując zależność:
(6)
na wyznaczenie średnicy przewężenia 2W 0, a następnie wyznaczenie z określającej położenie
przewężenia względem wyjściowej płaszczyzny pomiarowej. Parametr konfokalny D można
wyznaczyć zarówno z zależności:
(7)
Powyższa metoda umożliwia pomiar kąta rozbieżności wiązki zarówno w polu dalekim jak i bliskim.
Definicję pola bliskiego i dalekiego wiązki gaussowskiej przedstawia poniższy rysunek:
Rysunek 5 Definicja pola bliskiego, pola dalekiego, obszaru przejściowego wiązki laserowej.
W wypadku, gdy mierzymy średnicę wiązki w dostatecznie dużej odległości od przewężenia
(z>>z0) to wówczas zgodnie z zależnością:
(8)
otrzymamy 2W≈2θz, gdzie 2W oznacza średnicę wiązki gaussowskiej w polu dalekim. W takim
wypadku wystarczy wówczas pomierzyć średnicę wiązki w dwóch przekrojach odległych od siebie o
∆z (rys. 6).
Laboratorium techniki laserowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 5
Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej
Rys. 6 Wyznaczanie parametrów wiązki gaussowskiej przez pomiar średnicy wiązki w dużej
odległości od płaszczyzny przewężenia.
Kąt rozbieżności wiązki 2θ będzie dany wyrażeniem:
(9)
co jest wystarczające do wyznaczenia pozostałych wielkości: parametru konfokalnego wiązki oraz
położenia płaszczyzny przewężenia.
5. Układ do pomiaru wybranych parametrów wiązki laserowej
Opis laboratoryjnego układu do pomiaru profilu wiązki laserowej
Układ pomiarowy zamontowany jest na ławie optycznej i składa się z następujących
elementów:
ława optyczna,
laser,
chopper wraz z układem sterowania,
przesuwnik X-Y wraź z zamontowanym nożem Foucault’a,
detektor.
Wykonany układ pomiarowy służy do pomiaru profilu badanej wiązki laserowej w kierunku
poprzecznym do kierunku jej rozchodzenia się wzdłuż osi X i Y. Przemieszczenie przesuwnika X-Y
w inne miejsce na ławie optycznej umożliwia wykonanie pomiaru profilu wiązki w dowolnej
odległości od lasera (w naszym przypadku jest to ograniczone długością ławy optycznej
wynoszącą 1 m). Na podstawie dokonanego pomiaru profilu wiązki można następnie wyznaczyć
jej średnicę (patrz podrozdział 3. Metody pomiaru średnicy wiązki). Użyta metoda pomiaru
średnicy bazuje na definicji średnicy wiązki gaussowskiej. Wykonując pomiar profilu wiązki w trzech
różnych miejscach odległych odpowiednio o z, z+∆z, z-∆z od przewężenia, przy czym z nie jest
wartością znaną i wyznaczając średnicę wiązki w tych miejscach, można przy danej wartości długości
fali ustalić wszystkie parametry wiązki, takie jak: kąt rozbieżności, parametr konfokalny
i położenie płaszczyzny przewężenia. W wypadku, gdy mierzymy profil wiązki w dostatecznie dużej
Laboratorium techniki laserowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 6
Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej
odległości od przewężenia (z>>z0) wówczas wystarczy tylko wyznaczyć średnicę wiązki w dwóch
przekrojach odległych od siebie o ∆z aby w pełni określić pozostałe parametry badanej wiązki.
6. Zadania pomiarowe:
1. Pomierzyć rozkład mocy w wiązce laserowej w płaszczyznach x i y. Pomiary przeprowadzić
dla trzech różnych odległości laser-detektor.
7. Opracowanie:
1. Wykreślić pomierzone charakterystyki.
2. Obliczyć szerokość i rozbieżność wiązki.
3. Skomentować wyniki pomiarów.
Laboratorium techniki laserowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 7