404 (810506), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Юстировочный лазер (10) и фотодиод(11) закреплены на столе. Модулятор может быть повёрнут в разные положения: при измерении коэффициента усиления он модулирует пучок,идущий от юстировочного лазера, при измерении поляризации излучения исследуемого лазера он модулирует это излучение а в остальныхслучаях он отводится в сторону, чтобы не перекрывать пучки. Юстировочный лазер предназначен для юстировки всех элементов установкии для измерения коэффициента усиления активной среды исследуемоголазера.Поскольку коэффициент усиления на рабочей частоте лазера мал,и усиление интенсивности луча зондирующего лазера при длине трубки1415Рис.
7. Схема установки. Штриховыми линиями показано положениезеркал при получении лазерной генерации на исследуемой трубке≈ 1 м составляет всего несколько процентов, в данной работе измеряетсяодновременно интенсивность излучения до и после прохождения исследуемой среды. Этот метод позволяет исключить влияние нестабильности интенсивности зондирующего лазера во времени, которое составляетобычно несколько процентов. Сигналы с обоих фотодиодов подаются назвуковую карту компьютера, и с помощью программы PhysLab измеряются с высокой точностью.Для настройки резонатора исследуемого лазера используются зеркала, закреплённые в съемных юстируемых оправах.
Изучение поляризации исследуемого лазера, его модовой структуры производится с помощью поляроида и короткофокусной линзы.Перед проведением измерений ознакомитесь с приложением, в котором описано использование программы PhysLab для измерений интенсивности света и методика измерения коэффициента усиления лазернойтрубки.ЗАДАНИЕВ работе предлагается измерить коэффициент усиления лазера; добиться генерации и изучить модовую структуру излучения в зависимости от настройки зеркал лазера и характер поляризации лазерного луча.1.
Включите вилку питания юстировочного лазера в сеть и убедитесь вналичии лазерного излучения. С помощью листочка белой бумаги ознакомьтесь с ходом пучка юстировочного лазера по установке.2. Проведите юстировку оптической схемы установки. При этом выходноезеркало исследуемого лазера должно быть снято (удобнее его сниматьвместе с рейтером), а модулятор отведён в сторону, чтобы не перегораживать пучки. В результате выполнения этого упражнения луч юстировочного лазера должен хорошо проходить через трубку исследуемого лазера. Пучок от юстировочного лазера попадает на полупрозрачноезеркало на оптической скамье, которое направляет его на исследуемуютрубку. Если луч касается стенки трубки, на экране на стене будет появляться ореол.
При правильной настройке пятно на экране должно бытьс ровными краями без ореолов, и при малой расстройке вверх-вниз ивлево-вправо форма пятна почти не меняется.3. Измерение коэффициента усиления производится с помощью компьютера и программы PhysLab (смотри Приложение).Фотодиод (6) за полупрозрачным зеркалом следует выставить так,чтобы прошедший через зеркало пучок попадал на приёмную площадкуфотодиода. Прошедший исследуемую трубку пучок с помощью заднегозеркала направляется на приёмную площадку фотодиода (11). Включите мотор модулятора и расположите его так, чтобы он прерывал пучок16юстировочного лазера до попадания на полупрозрачное зеркало.
Выберите подходящие параметры осциллографа в PhysLab и пронаблюдайтесигналы с обоих фотодиодов. Они должны иметь одинаковую временну́юформу, не превышать 100 мВ и различаться по амплитуде не более чем вдва раза. Если это не выполняется, проверьте, как пучок юстировочноголазера проходит сквозь исследуемую трубку и хорошо ли попадает нафотодиоды, снято ли выходное зеркало. Добейтесь нормальных сигналов на экране осциллографа.
Проведите измерения.4. Проведите настройку исследуемого лазера для получения генерации.Следует учесть, что вследствие малого усиления активной среды гелийнеонового лазера генерация может быть получена только при очень точной настройке зеркал резонатора, их непараллельность друг другу недолжна превышать 10−4 рад. Кроме того, даже небольшая пылинка, случайно осевшая на окошке лазерной трубки, может сделать невозможнойдостижение генерации. Сначала настраивается глухое (заднее) сферическое зеркало, выходное зеркало при этом должно быть снято.
Пучок,прошедший через трубку, задним зеркалом направляется строго обратно так, чтобы после вторичного прохождения через трубку исследуемоголазера он попал на экран, закреплённый на выходном торце зондирующего лазера. При точной настройке пятно на этом экране яркое, ровное,без ореолов, диаметром приблизительно 1 см и его центр совпадает сцентром выходящего пучка зондирующего лазера.
Поставьте на скамьюперед трубкой рейтер с выходным зеркалом, рабочей поверхностью кисследуемому лазеру. Это зеркало юстируется так, чтобы отражённыйот него луч зондирующего лазера попал в то же самое место, куда попадал пучок, отражённый от сферического заднего зеркала (его диаметргораздо меньше диаметра пучка от заднего зеркала). Включите блок питания исследуемого лазера. Когда загорится разряд, должна появитьсягенерация, которая определяется по появлению ярких красных пятен назеркалах. Тонкой подстройкой зеркал добейтесь максимальной мощности генерации.
Если с первого раза генерации не получилось, повторите настройку снова, обращая внимание на точное совмещение пучков,отражённых от выходного и глухого зеркал. Если генерация всё же недостигается, следует с помощью лаборанта почистить брюстеровские окна исследуемого лазера от возможных загрязнений и пыли. Для этогоследует протереть их ваткой и повторить настройку.Ни в коем случае нельзя протирать зеркала и вообще прикасаться к ним.5.
Изучение поляризации лазерного луча.Закрепите в рейтере (9) перед выходным зеркалом поляроид. Повер17ните и настройте фотодиод и модулятор так, чтобы пучок исследуемого лазера хорошо проходил сквозь отверстия модулятора и попадал нафотодиод (6). Юстировочный лазер на время проведения этих измерений лучше выключить. Измерьте зависимость интенсивности излученияисследуемого лазера в зависимости от угла поворота поляроида.
Измерения проводятся с помощью фотодиода (6) и компьютера (см. Приложение). Постройте зависимость относительной интенсивности от углаповорота поляроида.6. Проведите наблюдение модовой структуры лазерного излучения. Поставьте на рельс вплотную к выходному зеркалу рейтер с короткофокусной линзой а в рейтер (9) вместо поляроида вставьте белый экран.Наблюдая за пятном излучения лазера, с помощью малого поворота одного зеркала получите одномодовый режим, трёхмодовый и многомодовый режим.7.
Обработка результатов измерений коэффициента усиления исследуемойтрубки производится по методике, изложенной в приложении. Полезнорассчитать коэффициент усиления прямо на месте хотя бы для одногозначения тока, чтобы убедиться в правильности измерений. Для проведения расчётов можно воспользоваться калькулятором Windows.ПРИЛОЖЕНИЕИзмерение коэффициента усиления гелий неонового лазера спомощью компьютера и программы PhysLabЛазерная генерация возникает, когда усиление излучения активнойсредой лазера превышает потери. Потери вызваны, в основном, тем, чтоот зеркал резонатора отражается только часть падающего на них излучения. За счёт этого и осуществляется вывод части излучения наружу.В гелий-неоновых лазерах на длине волны 6328 Å усиление активнойсреды невелико и обычно составляет 1–3% на один проход, то есть коэффициент усиления (отношение сигнала на выходе к сигналу на входе)равен 1,01–1,03.
Поэтому приходится использовать очень плотные резонаторные зеркала: обычно коэффициент отражения выходного зеркаласоставляет ≈0,99, а глухого — 0,998–0,999. Кроме того, окошки лазернойтрубки приклеены к торцам под углом Брюстера, что позволяет для одной из поляризаций исключить потери на отражение от этих окошек. Влазере генерируется излучение именно с этой поляризацией, для другойполяризации потери превышают усиление и лазерная генерация невозможна.Чтобы измерить такое малое усиление, нужно определять интенсивность излучения на входе и на выходе из лазерной трубки с точностью18существенно лучше 1%.
В принципе, это возможно, просто измеряя фототок какого-либо достаточно стабильного фотоприёмника, например,фотодиода, точным цифровым вольтметром. Однако, при этом нужновычитать из показаний темновой ток, который сильно зависит от температуры и поэтому плавает во времени, что усложняет измерения. Самыйпростой путь устранения влияния темнового тока — промодулироватьинтенсивность излучения, например, вращающимся обтюратором и перейти к измерениям на переменном токе.
При этом также устраняетсявлияние внешних засветок и так называемых фликер-шумов, амплитудакоторых растёт по закону 1/f , где f — частота. Существуют достаточноточные цифровые вольтметры переменного тока, однако, в данной работе вместо такого вольтметра использован компьютер со звуковой картойи программой PhysLab (разработчик PhysLab — С.П. Палто из института кристаллографии РАН). Эта программа превращает компьютер визмерительный центр, включающий в себя такие виртуальные приборыкак цифровой осциллограф с возможностью измерения пиковых значений и эффективных напряжений сигналов, анализатор спектра, синхронный детектор, позволяющий измерять сигналы, амплитуда которых вдесятки и сотни раз меньше шумов, генератор и некоторые другие приборы. Виртуальными эти приборы называются потому, что физическиотдельно от компьютера они не существуют, однако они обладают всемивозможностями «настоящих» приборов.
Основой всех этих виртуальныхприборов является звуковая карта, в которой имеются амплитудно-цифровые преобразователи (АЦП). Они могут периодически измерять амплитуду любых электрических сигналов (не только от микрофона илимагнитофона) по двум (иногда более) каналам и переводить амплитудув цифровой код. Частота измерений может выбираться из ряда 11, 22, 44и иногда 48 кГц (в некоторых современных звуковых картах до 96 кГц).Измеренные значения могут накапливаться в памяти компьютера и затем с ними можно производить различные преобразования.
Например,используя процедуру быстрого преобразования Фурье, можно вычислить спектр измеряемых сигналов, не производя собственно измеренийспектра. В звуковой карте имеются также ЦАПы — цифро-аналоговыепреобразователи, которые позволяют использовать звуковую карту какгенератор сигналов различной формы. Большинство звуковых карт имеет разрядность 16 бит, поэтому их теоретический динамический диапазон составляет 216 ≈ 6,6·104 (96 дБ1 ) и можно было бы ожидать относи1 Напомним, что децибел (дБ) — это логарифмическая единица измерения отношения двух сигналов. По определению для двух сигналов с амплитудами A и B ихотношение, выраженное в дБ, равно 20 lg(A/B) или 10 lg(A2 /B 2 ). Поскольку мощность любых сигналов пропорциональна квадрату их амплитуд, вместо логарифма19Рис.
8тельной точности измерений порядка 2·10−5 . Реальные звуковые картыимеют значительные собственные шумы, которые «съедают» несколькомладших разрядов. Типичный динамический диапазон звуковых карт повходу 50–75 дБ, у самых качественных карт до 85–90 дБ. В последниегоды появились звуковые карты с 24-х битной оцифровкой входных сигналов, обеспечивающие реальный динамический диапазон более 90 дБ.В нашей установке используется дешёвая (≈$10) двухканальная звуковая карта, которая, тем не менее, позволяет обеспечить относительнуюточность измерений ∼10−3 .В данной работе из всех виртуальных приборов будет использовать-ся только цифровой осциллограф (рис. 8). Для его запуска нужно дважды щелкнуть мышкой по иконке PhysLab на экране монитора.
Сначала появится сообщение: Сalibration file is absent one defaultfactor is used. Щелкните по кнопке Ok, поскольку для данной работынужны лишь относительные измерения и абсолютная калибровка чувствительности не обязательна. Раскроется цифровой осциллограф (онпо умолчанию запускается первым) и меню с перечнем других приборов.Слева от экрана осциллографа расположены окошки, в которых можно выбрать скорость развёртки, длительность развёртки (она можетбыть много больше отрезка времени, умещающегося на экране, тогдаосциллограмму можно передвигать по экрану с помощью бегунка слева внизу от экрана), масштаб отображения по вертикали (чувствительность) и регулировка усиления звуковой карты. В самом низу левой колонки расположены окошки выбора способа и уровня синхронизации запуска: по сигналу на первом или втором канале, по внутренним часам.В данной работе практически неважно, какой способ синхронизации выбран, немного удобнее по сигналу на каком-либо канале.Под экраном слева расположена кнопка Set (установка), по которойобязательно надо щелкнуть, чтобы зайти в меню установок и проконтролировать их.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
