Лабораторная работа Измерение пространственных характеристик лазерного пучка Цель работы: Изучение параметров качества лазерного пучка на примере гелий-неонового лазера. Моды резонатора Свет в резонаторе многократно отражается от зеркал. Отраженные лучи интерферируют, что приводит к тому, что только определенные распределения полей на определенных частотах будут сохраняться в резонаторе, излучение на других частотах или с другим распределением будет подавлено за счет интерференции или быстро покинет резонатор. Распределения, которые повторяются при одном полном проходе резонатора являются наиболее стабильными и называются собственными модами или модами резонатора. Моды оптического резонатора подразделяют на две группы: продольные, отличающиеся частотой, и поперечные, которые отличаются как частотой, так и распределением поля в сечении пучка. Отдельная мода обозначается так: ТЕМmnq, где m, n – поперечные индексы моды, a q – продольный индекс (число пучностей стоячей волны внутри резонатора). Каждая мода характеризуется определенной пространственной структурой поля – определенным распределением амплитуды и фазы поля в перпендикулярной к оси резонатора плоскости, в частности, на поверхности зеркал резонатора. Специфику этой структуры фиксируют поперечные индексы моды m и n. Конкретному сочетанию индексов m и n соответствует ряд мод с разными значениями индекса q. Длина пути излучения в резонаторе определяет продольные моды резонатора или пространственное распределение электрического поля, которое вызывает стоячую волну. Для возникновения Продольные моды резонатора резонансной моды необходим фазовый сдвиг, равный целому числу оборотов (циклов) замкнутого контура. Совокупность продольных мод с данным сочетанием индексов m и n объединяют под названием поперечной моды. Поперечная мода обозначается как ТЕМmn. На рисунке показаны структуры наблюдаемых на плоском зеркале светового пятна для нескольких наиболее простых (низших) поперечных мод. Поперечную моду ТЕМ00 называют основной модой. Для нее характерна наиболее простая Простые поперечные моды резонатора с плоскими зеркалами структура светового пятна. Основная поперечная мода представляет собой гауссовский пучок. Параметр М2 Качество пучка лазера – мера того, насколько хорошо лазерный луч может быть сфокусирован. Качество пучка лазерного луча может быть определено по-разному, но, по существу, является мерой того, насколько плотно лазерный луч может быть сфокусирован в определенных условиях или коллимирован с ограниченной расходимостью. Наиболее распространенными способами количественной оценки качества пучка являются: − параметр качества пучка (Beam Parameter Product BBP) – это произведение диаметра пучка в перетяжке на полный угол расходимости излучения; − параметр М2 определяется как отношение параметра качества пучка (BBP) к диаметру перетяжки гауссовского пучка с такой же длиной волны. Перетяжкой пучка называется минимальный диаметр пучка, интенсивность в пределах которого составляет не ниже 13.5% максимального значения. Наилучшее качество пучка достигается при M2 = 1. К такому значению близки многие лазеры, в частности, твердотельные лазеры, работающие с одной поперечной модой (в одномодовом режиме), волоконные лазеры на основе одномодовых волокон, а также некоторые маломощные диодные лазеры (особенно полупроводниковые лазеры на вертикальных резонаторах). С другой стороны, некоторые лазеры с высокой мощностью (например, твердотельные лазеры и объемные полупроводниковые лазеры, такие как диодные линейки) могут иметь очень большой параметр M2, больше, чем 100 или даже значительно выше 1000. В твердотельных лазерах это часто результат термонаведенных искажений волнового фронта в активной среде, несоответствии эффективной площади моды и накаченной области в лазерном кристалле, в то время как в мощных полупроводниковых лазерах плохое качество пучка возникает из-за того, что они работают в пространственных модах высшего порядка. Диапазон Рэлея В оптике и особенно лазерной науке, диапазон Рэлея (длина Рэлея, ZR) – это расстояние вдоль направления распространения луча от сужения до места, где площадь поперечного сечения увеличена вдвое. Связанный параметр – конфокальный параметр b, который вдвое Ширина гауссова пучка w(z) как функция z. w0 – перетяжка пучка; b – глубина резкости; ZR – диапазон Рэлея; Θ – угловая расходимость пучка превышает длину Рэлея. Длина Рэлея особенно важна, когда лучи моделируются как гауссовы лучи. Глубина резкости Depth Of Field (DOF) – глубина резко изображаемого пространства (ГРИП) или глубина резкости – одномерная величина, определяющая разницу между максимальным и минимальным расстоянием до наблюдателя, которое определяется наблюдателем как резкое. На самом деле, в оптике возможно только одно расстояние, при котором точка в пространстве передаётся в виде точки на светочувствительный элемент, так что «глубина» резкости на самом деле физически не существует и является следствием несовершенства техники и глаза наблюдателя. Диаметр и положение сужения лазерного пучка Диаметр сужения лазерного пучка D0 – это минимальный диаметр луча по оси Z. Положение сужения лазерного излучения Z0 – это положение, в котором расположен минимальный диаметр луча по оси Z относительно положения линзы в начале или в конце цикла измерения. Описание экспериментальной установки Экспериментальная установка состоит из оптического рельса 1, на который устанавливается приспособление М2. держатель с источником излучения 2 и Чертёж приспособления М2 представлен ниже. Светоотражатель Входной луч ход 150 мм Съёмный 7лопастный профилограф Ходовой винт Шаговый двигатель Задание. Определить параметры лазерного пучка. 1. Для начала работы открыть программу M² BeamAnalyzer USB. 2. Перед проведением измерений луч должен быть отцентрирован как на линзе, так и на детекторе. Для этого необходимо активировать окно Position из панели инструментов приложения. 3. Выровнять луч так, чтобы маркер положения находился очень близко к цели-перекрестию V&W в окне Position. Также для наблюдения луча нажать кнопку «Projection» . 4. Отцентрировать луч через отверстие, наблюдая за значениями мощности в презентации Power. Отрегулировать положение луча для максимальной мощности через апертуру линзы (в пределах 4 – 4,3 Вт). 5. Активировать окно M² . Нажать кнопку «Setup» и отключить «Laser Side Data», и нажать кнопку ОК. 6. Чтобы убедиться, что лазер правильно выровнен по системным осям «Z», переместить ретроотражатель по оси Z до конечной точки (280 мм), используя кнопки нажать кнопку , или написать новую позицию Z в окно: и . 7. Еще раз проверить окно положения и убедиться, что перекрестие положения находится близко к перекрестию V&W. Если нет, повторить шаги с 4 по 6. 8. После настройки, переместить светоотражатель в начальное положение, используя кнопку кнопку «Home», выбрать новое положение Z = 280 мм и нажать . Нажать кнопку «Setup», включить «Laser Side Data», и нажать кнопку ОК. 9. Если требуется сохранить данные необходимо нажать кнопку «Setup», в окне выбрать вкладку «Log», в поле «Type» выбрать формат файла и в поле «Name» выбрать путь сохранения. 10. После нажать кнопку «Start/Stop measurement» и дождаться полного прохождения цикла. Для записи файла нажать кнопку «Start/Stop log». 11. Проанализировать результаты и сделать вывод. Контрольные вопросы: 1. Понятие моды резонатора. 2. Какие различают моды резонатора? 3. Как обозначается и как выглядит основная мода? 4. Понятие качества лазерного пучка и какие существуют способы количественной оценки пучка. 5. Параметр М2 лазерного пучка. 6. Диапазон Рэлея. 7. Глубина резкости. 8. Описание лабораторной установки. 9. Порядок выполнения. 10. Объяснение полученных результатов. Литература 1. Оптическая и квантовая электроника: Учебное пособие / В. И. Светцов; Иван. гос. хим.-техн. ун-т; Иваново, 2004. 122 с. 2. Duma Optronics Ltd. Multi-axis knife edge scanning laser beam profiler extended to measurements of M² / M² Addendum User Manual, February 2015. 17 P. 3. Городецкий М. Л. Основы теории оптических микрорезонаторов. Учебное пособие. М.: Физический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова, 2010. 203 с.