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. M 1 S BS 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 M 1 i, 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 M 1, B. Zwierciadło, C. Dzielnik wiązki BS, 4. Ekran, 5. Detektor z miernikiem mocy promieniowania, 6. Oscyloskop. M 1 Źródło Kolimator BS Szyna, wzdłuż której przesuwa się zwierciadło. 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 ustawiamy w położeniu zerowym, czyli w takiej samej odległości od dzielnika wiązki, w jakiej znajduje się zwierciadło M 1. 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 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 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 maksymalne minimalne Kontrast 2. LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY Odległość zwierciadła maksymalne minimalne Kontrast 6