Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа №3

Оценка расходимости пучка лазерного излучения

Цель работы: Провести оценку расходимости излучения лазера по измерениям профиля лазерного пучка.

Задачи, решаемые в работе:

Ознакомиться с методикой оценки расходимости излучения лазера по измерениям распределения интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения.

Ознакомиться с экспериментальной методикой реализации «метода сканирующего ножа», применяемой в данной работе для измерения распределения интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения.

Провести измерения распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка на различных расстояниях от выходного окна источника излучения и оценить расходимость излучения исследуемого лазера в режиме лазерной генерации. 

Провести измерения и сравнить профиль пучка лазерного излучения в режиме лазерной генерации и в режиме светоизлучающего диода (Усложненный вариант лабораторной работы).

Провести измерения распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка на различных расстояниях от выходного окна источника излучения и оценить расходимость излучения исследуемого лазера в режиме светоизлучающего диода (Усложненный вариант лабораторной работы).

Сведения из теории

Оценка расходимости пучка излучения.

Определение расходимости пучка лазерного излучения производится путем сравнения распределений интенсивности I(x), полученных на разных расстояниях (y1 и y2) от выходного окна источника излучения (см. рис.1). Сравнение производится по интервалу значений Dx, внутри которого интенсивность пучка превышает 50% от максимального значения (так называемая «полуширина» распределения интенсивности, или «полуширина пучка»).

Рис.1.Схема, поясняющая методику оценки расходимости излучения.

а – геометрия схемы в плоскости yz: 1 – источник излучения; Δφ – расходимость пучка излучения в плоскости yz; y1, y2 - расстояние от выходного окна источника излучения при проведении измерений профиля пучка излучения. б – распределение интенсивности в сечении пучка излучения по координате x (профиль пучка излучения) на разных расстояниях (y1 и y2) от выходного окна источника излучения; Dx1 – полуширина пучка при y1; Dx2 – полуширина пучка при y2.

Расходимость пучка (D y) оценивается по следующей формуле

 Dy = (Dx2 – Dx1)/(y2 – y1) (1).

В работе необходимо оценить расходимость пучка излучения при двух режимах работы источника излучения, которые характеризуются различными значениями тока через p-n переход.

Использование метода сканирующего ножа для измерения размера перетяжки каустики гауссова пучка.

При исследовании распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка может быть использован метод сканирования пучка прямолинейным краем полуплоскости, который получил название «Метод сканирующего ножа» [1,2] .

Рассмотрим применение данного метода для исследования поперечного сечения пучка, распределение интенсивности в котором можно описать функцией Гаусса.

Как правило, данный метод используется для измерения размера перетяжки каустики гауссова пучка и состоит в следующем.

 Поперечное распределение интенсивности в одномодовом гауссовом пучке можно описать с помощью соотношения 

   (1),

где r - радиальная координата (0 – центр пучка), ω - характеристический радиус гауссова пучка (измеряется по уровню 1/е2 ), I0 – нормировочный коэффициент.

Если такой пучок перекрывать прямолинейным краем полуплоскости (край ножа), как показано на рис.2, то поток Ik оставшейся части пучка

Рис.2.Перекрытие лазерного пучка краем полуплоскости

будет зависеть от положения координаты х края полуплоскости следующим образом

  (2),

где I1 – нормировочный коэффициент.

Зависимость Ik(x) приведена на рис.3. При исследовании формы пучка и сравнении с функцией Гаусса зависимости, полученной дифференцированием функции Ik(x) по координате х, необходимо определить величину ω. Для этого требуется измерить половину расстояния между точками по оси координат х (поперек пучка), в которых интенсивность достигает величин 0.033 и 0.977 от максимального значения.

Рис.3.Зависимость потока Ik части гауссова пучка «вне ножа» от координаты х края перекрывающей его полуплоскости (величина 2ω определяется по уровням 0.033 и 0.977 от максимального значения)

Использование метода сканирующего ножа для измерения распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка.

Форма пучка излучения исследуемых лазеров может отличаться от функции Гаусса, но метод сканирующего ножа может быть использован для оценки профиля лазерного пучка по одной из координат, например, по координате х, при условии, что интенсивность лазерного пучка в перпендикулярном направлении (например, по координате z) не изменяется. При выполнении данной работы предполагается именно такая ситуация. Пучок излучения исследуемых лазеров в плоскости xz имеет вид полоски (~2х5 мм), вытянутой по координате z, из которой для проведения измерений вдоль оси х вырезается центральная часть (~2мм), что позволяет считать распределение интенсивности исследуемого пучка в направлении z равномерным.

В этом случае распределение интенсивности пучка по координате х может быть получено простым способом - дифференцированием функции Ik(x) по х. На рис.4, для наглядности в качестве примера представлены функции Ik(x) для трех различных математических распределений интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка: прямоугольного, треугольного, гауссова.


Рис.4. Вид функции Ik(x) (поток излучения «вне ножа») для трех различных математических распределений интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка: прямоугольного (а), треугольного (б), гауссова (в).

Обработка результатов измерений и подготовка отчета

  1. Построить прямую ветвь ВАХ светодиодов Uпр = f(Iпр). Оценить величину контактной разности потенциалов перехода φ0 как показано на рис. 19.

2. Построить зависимость освещенности L от величины прямого тока светодиода (ампер-люксовую характеристику) L = f(Iпр). Найти величину светового потока создаваемого светодиодом при Iпр max:

 ФL = LS, лм (9)

где L – среднее значение освещенности фотоэлемента (1 люкс = 1 люмен/ 1 м2),

S = 26.4 см2 – площадь поверхности фотоэлемента люксметра Ю116.

 3. Оценить величину мощности излучения светодиода в энергетических единицах Фw. Световым потоком ФL в (фотометрических единицах – люменах) называют мощность светового излучения, оцениваемую по его действию на нормальный глаз. Для монохроматического излучения, соответствующего максимуму видности λ = 0.555 мкм, световой поток равен ФL = 683 лм, если мощность излучения равна Фw = 1 Вт. Приближенно принимая соотношение между мощностью излучения и световым потоком (поскольку использованный люксметр прокалиброван для белого света)

 Фw ≈ ФL/683, Вт (10)

найти мощность излучения светодиода при Iпр max.

  4. Оценить КПД светодиода

 η ≈ Фw/Р = Фw/(Iпр max·Uпр max),  (11)

где Uпр max – падение напряжения на светодиоде при Iпр max.

  5. Найти величину внешнего квантового выхода светодиода ηвнеш как отношение числа излученных квантов света Фw/hν = Фwλmax/hc к полному числу актов рекомбинации Iпр max/qe

 , (12)

где qe = 1.6·10–19 Кл – элементарный заряд, с = 3·108 м/с – скорость света.


6. Построить диаграмму направленности светодиода рис. 20 в полярных или декартовых координатах. Диаграмма направленности строится в относительных единицах. Принимая, что фототок фотодиода Iфот в установке рис. 15 пропорционален силе света Iν, получим

 Iν/Iν max = Iфот/ Iфот max.

Из диаграммы направленности определить угол α0.5, при котором сила света составляет ½ от максимального значения. Полагая, что все излучение светодиода сосредоточено и равномерно распределено внутри телесного угла 2α0.5 стерадиан найдем силу света светодиода

 Iν = ФL/4α0.5, кд. 

 Сравнить полученные значения с нормированной величиной IL в паспорте светодиода.

7. По длине волны излучаемого света определить разность энергий двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации

 ΔWL = hc/λmax, Дж.

Сравнить полученное значение ΔWL с высотой потенциального барьера p–n-перехода qeφ0 и шириной запрещенной зоны ΔW полупроводникового материала светодиода.

 8. Отчет должен содержать:

 1) Основные теоретические положения и формулы, использованные при выполнении работы;

 2) Описание методики проведения испытаний, электрических схем и использованной аппаратуры;

 3) Полученные экспериментальные данные: таблицы с результатами проведенных измерений и графики;

 4) Результаты обработки экспериментальных данных в соответствии с полученным заданием;

  5) Выводы.

9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Прямозонные и непрямозонные полупроводники.

2. Зонные диаграммы светодиода с гомо и гетеро переходом в состоянии термодинамического равновесия и при прямом смещении.

3. Светодиоды. Конструкция и принцип действия.

4. Основные характеристики светодиода.

5. Оптоэлектронные пары. Конструкция, принцип действия.

6. Основные характеристики фотодиодных и фототранзисторных оптоэлектронных пар.

7. Объяснить полученные графики.


Полупроводниковые детекторы оптического излучения