Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej 1. Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdaoska Gdańsk 2006
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 M 2, związany z rozkładem pola w przekroju poprzecznym wiązki. Wartość tego współczynnika dla modów wyższych rzędów TEM KL można wyznaczyć na podstawie zależności: M 2 =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 M 2 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 Strona 2
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 e 2 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 P s do mocy całej wiązki P (rysunek 2). P S P Na podstawie obliczonego stosunku i odpowiednich tabel można szybko określić średnicę badanej wiązki. Warunkiem jest jednak, aby wiązka była wiązką gaussowską. (2) Laboratorium techniki laserowej Strona 3
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: dla trzech wspomnianych położeń otrzymamy: (3) (4) Rozwiązując powyższy układ równań i wyznaczając 2θ otrzymamy interesującą nas zależność pozwalającą wyznaczyć kąt rozbieżności wiązki: Laboratorium techniki laserowej Strona 4
(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: Powyższa metoda umożliwia pomiar kąta rozbieżności wiązki zarówno w polu dalekim jak i bliskim. Definicję pola bliskiego i dalekiego wiązki gaussowskiej przedstawia poniższy rysunek: (7) Rysunek 5 Definicja pola bliskiego, pola dalekiego, obszaru przejściowego wiązki laserowej. W wypadku, gdy mierzymy średnicę wiązki w dostatecznie dużej odległości od przewężenia (z>>z 0 ) 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 Strona 5
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 Strona 6
odległości od przewężenia (z>>z 0 ) 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 Strona 7