Измерительная установка и методика измерений

Принципиальная схема измерительной установки для измерения угла расхождения и распределения энергии в пучке представлена на рисунке 3.

Излучение от лазера 1 через узкую щель светонепроницаемого корпуса попадает на кремниевый фотоэлемент 3, который нагружен на сопротивление 6. Падение напряжения (U) на сопротивлении 6 измеряется милливольтметром 7. Сопротивление нагрузки взято много меньше внутреннего сопротивления фотоэлемента, т.е. фотоэлемент работает в режиме близком к режиму короткого замыкания. Но фототок короткого замыкания прямо пропорционален мощности излучения, падающей на фотоэлемент. Таким образом, показание милливольтметра 7 пропорционально интенсивности излучения. Светонепроницаемая камера 2 с фотоэлементом может перемещаться в поперечном направлении с помощью микрометрического винта 5. Перемещение фотоэлемента в поперечном направлении регистрируется индикатором часового типа 4.

Рисунок 3 - Принципиальная схема измерительной установки для измерения угла расхождения и распределения энергии в пучке

Таким образом, если складывать результаты измерения на графике U от х, то получится кривая распределения энергии в пучке, т.е. U ~ W. Из графика находится диаметр пучка на уровне половинной интенсивности.

Снимая распределение энергии в пучке около выходного окна лазера и на некотором расстоянии L от первого места измерения, и определяется диаметр пучка на уровне половинной интенсивности в первом и во втором случае можно рассчитать угол расхождения по формуле (6).

5 ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Поляризация излучения ОКГ зависит от конструкции прибора и свойств активного вещества. В газовых лазерах с окошками, расположенными под углом Брюстера к оси резонатора, излучение полностью поляризовано в плоскости падения на окошки. В лазерах, где зеркала соединяются с газоразрядной трубкой с помощью сильфонов излучение почти не поляризовано, но имеется некоторое преимущественное направление вектора электрического (магнитного) поля. В рубиновых лазерах излучение почти полностью поляризовано причем направление поляризации зависит от ориентации оптической оси рубина относительно оси стержня.

Качественный анализ поляризованного света производится с помощью анализатора, в качестве которого может быть полностью поляризующее свет устройство (чаще всего поляризованная призма) и для которого известна плоскость пропускания линейно поляризованных колебаний.

В случае если свет линейно поляризован, то при медленном вращении поляризатора наблюдается изменение яркости, которое достигает нулевого значения при двух положениях анализатора. Для эллиптически поляризованного света изменение яркости хотя и имеет место при вращении анализатора, однако в минимумах все же не равна нулю. В случае света, поляризованного по кругу, вращение анализатора не приводит к изменению его яркости.

Указанных признаков для полного анализа поляризованного света в последних двух случаях совершенно недостаточно. Действительно, свет может быть полностью поляризован, как это имеет место при отражении его, например, от матированного стекла или в пасмурный день от белых облаков. В этом случае отличить его от поляризованного по кругу вышеуказанным способом невозможно, так как вращение анализатора не изменит его интенсивности. Точно так же можно отличить частично линейно поляризованный свет от эллиптически поляризованного, так как вращение анализатора в обоих указанных случаях дает один и тот же качественный результат, изменение интенсивности от максимума до некоторого минимума.

В целях выяснения характера поляризованности света используются призмы с изменением фазы колебаний. Последнее легко осуществляется с помощью двоякопреломляющей, тонкой плоскопараллельной "пластинки в четверть волны", т.е. пластинки, которая вносит разность хода, равную 1/4Х, либо нечетно кратную величину.

Теперь, чтобы различить естественный, т.е. неполяризованный свет от поляризованного по кругу, достаточно перед анализатором установить указанную пластинку "в четверть волны". Если при вращении анализатора никаких изменений не будет, свет полностью деполяризован. Если же наблюдается изменение интенсивности при одном из положений анализатора интенсивность равна нулю, свет поляризован по кругу. Если же полного погасания света в минимуме интенсивности не наблюдается, это значит, что свет поляризован по эллипсу, либо частично линейно поляризован.

Эллиптически поляризованный свет от частично линейно поляризованного или частично эллиптически поляризованного различается так же с помощью той же "пластинки в четверть волны". Пусть без пластинки наблюдались изменения интенсивности при вращении анализатора, но интенсивности равной нулю не наблюдалось. Если теперь при введении пластины так, что главные сечения пластинки параллельны направлениям, которые соответствуют максимальной и минимальной интенсивностям света, получается для некоторого положения анализатора интенсивность равная нулю, то в этом случае, очевидно, имеют дело с эллиптически поляризованным светом.

Если интенсивности, равной нулю, в только что рассмотренном случае не получается, но зато внесение пластины вызывает изменение положения анализатора, соответствующего максимуму или минимуму света, то имеют дело только с частично эллиптически поляризованным светом, если же изменений в положение анализатора не вносится, то анализируемый свет является частично линейно поляризованным. Полный анализ эллиптически поляризованного света очень кропотлив; он связан с определением формы (отношением полуосей) и положения эллипса колебаний, а также направлением вращения светового вектора, анализ проводят одним из двух методов: методом компенсатора, который позволяет вводить в ход пучков любую разность фаз, либо методом использования фотометрических свойств эллиптически поляризованного света. Последний связан с измерением мощности прошедшего через анализатор излучения в зависимости от угла повтора плоскости пропускания анализатора. На рисунке 4 для примера графически приведены указания зависимости: 1 - для линейно поляризованного света, 2 - эллиптически поляризованного света и 3 - по кругу поляризованного света. Здесь мощность излучения между плоскостями поляризатора и анализатора.

Рисунок 4 - Зависимость мощности прошедшего через анализатор света от угла поворота плоскости колебаний анализатора

На фотометрических свойствах поляризованного света основывается количественное определение формы эллипса, т.е. отношения его полуосей. При качественном анализе фотометрические измерения нет необходимости проводить, так как достаточно воспользоваться "пластинкой в четверть волны". При определении формы эллипса, если будет получен фотометрический график, например, в виде приведенного на рисунке 5,

Рисунок 5

то длина L и поперечник Т дадут направление осей эллипса 2а и 2 в, а отношение L:T даст отношение эллипса а:в, после чего, воспользовавшись уравнением эллипса можно вычислить и форму эллиптической кривой.

Вращение светового вектора эллиптически поляризованной волны можно определить, сочетая фотометрические измерения с анализом с помощью «пластинки в четверть волны».

На рисунке 6 представлена схема установки для измерения поляризации излучения ОКГ.

Рисунок 6 - Принципиальная схема установки для измерения поляризации излучения ОКГ

Излучение от лазера 1 через призму анализатора 2 которая может вращаться в плоскости перпендикулярной оптической оси ОКГ попадает на кремниевый фотоэлемент. Угол поворота призмы анализатора относительно горизонтальной плоскости отсчитывается по шкале, нанесенной на диске анализатора. Снимаемая зависимость мощности излучения, попадающего на кремниевый фотоэлемент, от утла поворота призмы анализатора можно построить фотометрический график, по которому определяется характер поляризации.

6 ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

Задание: Измерить угол расхождения пучка и поляризацию излучения газового лазера ЛГ-72.

При выполнении работы придерживаются следующего порядка:

1. Включить прибор ЛГ-72, для чего:

а) включить вилку шнура питания в сеть;

б) включить тумблер «сеть», при этом должна загореться сигнальная лампочка;

в) дать прибору прогреться в течении 3-5 минут.

Внимание!!!

Нельзя смотреть непосредственно в выходное окно лазера.

2. Установить на оптической скамье фотоэлемент на нулевую отметку. С помощью микровинта установить фотоэлемент в одно из крайних положений по нулевому показанию милливольтметра. Установить шкалу индикатора часового типа на «0».

3. Измерить распределение мощности в пучке в относительных единицах, проводя измерения через 0, 10 мм.

4. Установить фотоэлемент на оптической скамье на максимальном расстоянии от лазера. Замерить расстояние между двумя крайними положениями фотоэлемента.

5. Установить на оптическую скамью анализатор поляризации между лазером и фотоэлементом так, чтобы плоскость вращения призмы была бы перпендикулярна лучу.

6. Измерить зависимость мощности излучения в относительных единицах от угла поворота призы анализатора относительно горизонтальной плоскости, проводя измерения через 10°.