Základním praktikum z optiky

Transkript

1 Úloha: Základním praktikum z optiky FJFI ČVUT v Praze #6 - Zdroje optického záření a jejich vlastnosti Jméno: Ondřej Finke Datum měření: Spolupracoval: Obor / Skupina: 1. Úvod Alexandr Špaček FE / E Klasifikace: Cílem této úlohy bylo seznámit se s funkcí laserové diody, jejího zapojení a vlastnostech. Také jsme se naučili pracovat se spektrometrem a jak toto zařízení pracuje. Se spektrometrem jsme změřili spektra různých typů LED diod a na závěr si ukázali jak s jeho pomocí měřit reflexní spektra. 2. Měření a výsledky 2.1 Měření s laserovou diodou (LD) Před samostatným začátkem měření jsme se seznámili se základní konstrukcí LD. V konstrukci LD se ještě totiž nachází dioda PD, která je zapojena v závěrném směru a slouží k monitorování výkonu LD. Dioda byla již umístěna ve svém držáku. My jsme museli pouze s pomocí technické dokumentace k laserové diodě nastavit správně polaritu na spojení držáku s diodou. Toho jsme docílili přes dvě posunovací tlačítka umístěná na soklu. Poté jsme stejné nastavení polarit provedli i na zdroji. Při tom jsme se seznámili s funkcí tohoto zdroje. Jak nastavit konstantní teplotu na chladiči, jak měnit proud tekoucí do diody či jak pracovat s režimem konstantního výkonu. Před spuštěním zdroje jsme ještě na něm nastavili pojistku, která zabraňuje zničení diody. Tou je mezní procházející proud o velikosti 30 ma. 2.2 Výstupní výkon v závislosti na proudy a diferenciální účinnost Následně jsme měřili závislost výkonu na procházejícím proudu při různých teplotách. Pro toto měření jsme si zvolili teploty T 1 = 10ºC, T 2 = 20ºC a T 3 = 40ºC. Na zdroji laserové diody jsme nastavili na začátku měření teplotu. Následně jsme postupně zvětšovali proud jdoucí do laserové diody a na multimetru jsme sledovali napětí, které vznikalo na detektoru. Z naměřeného napětí můžeme získat výkon diodu následujícím přepočtem U out =P R(λ) R load, (1) kde U out je měřené napětí, P hledaný výkon, R(λ) spektrální responzivita a R load je odpor konektoru. Odpor na konektoru byl R load = 5kΩ. Hodnotu spektrální responzivity jsme vyčetli z grafu, který se nacházel v návodu. Odečítali jsme pro vlnovou délku laseru λ = 650nm a jeho hodnota je R(λ) = Do grafu (Obr.1) jsme zanesli naše naměřené hodnoty. V místě, kde se nachází prudká změna začíná laserovat dioda a tento proud označíme jako Prahový proud I p. Závislost za prahovým proudem jsme proložili přímkou. Směrnice této přímky odpovídá diferenciální účinnosti η laserové diody. Hodnotu Ip a η zaneseme do tabulky (Tab.1)

2 T [ºC] I p [ma] η [WA -1 ] ± ± ± ± ± ± 0.01 Tab. 1 Naměřené hodnoty prahového proudu I p a diferenciální účinnosti η pro jednotlivé teploty T. Obr. 1 Graf závislosti proudu na výkonu laserové diody pro teploty T 1 = 10ºC, T 2 = 20ºC a T 3 = 40ºC. Lineární fity slouží k určení diferenciální účinnosti. 2.3 Úhlová vyzařovací charakteristika laserové diody Před samotným měřením jsme nastavili diodu na režim konstantního výkonu 4mW. Nutno poznamenat, že dioda byla zkalibrovaná při teplotě 25ºC. My jsme měli teplotu 20ºC a proto není jisté, že vyzařovaný výkon byl přesně 4mW. Pro účel měření je ovšem potřeba mít konstantní výkon a jeho přesnou hodnotu nepotřebujeme znát. Měření jsme prováděli v horizontálním směru (paralelně s PN přechodem) a vertikálním směru (kolmo k PN přechodu). Diodu jsme měli umístěnou na otočeném držáku s úhloměrem. Držákem jsme postupně otáčeli a z detekovaného maxima jsme měřili až do úhlu, kde výkon klesl o polovinu. Postupovali jsme s krokem 1º. Rozměry apertury pak lze zjisti ze vztahů θ v = λ l, (2) - 2 -

3 θ h = λ d, (3) kde θ h resp. θ v jsou úhly horizontálního resp. vertikálního měření, kdy výkon poklesne na polovinu, λ = 650nm je vlnová délka laserového záření a l a d jsou hledané rozměry apertury. Naměřenou závislost výkonu na úhlu zaneseme do grafu v polárních souřadnicích (Obr. 2), kde výkon P normalizujeme. Úhly, kde výkon poklesne na polovinu jsme určili jako θ h = 4º a θ v = 9º. Z toho jsme následně určili rozměry apertury jako d = 9.27 μm a l = 4.14 μm. Obr. 2 Graf normalizovaného výkonu P v závislosti na úhlu natočení θ. Červené data představují vertikální rozměr. Modrá poté horizontální. 2.4 Srovnání měření spektrometru s kalibrační lampou Na začátek jsme se seznámili s námi použitým přístrojem, tedy spektrometrem Ocean Optics HR4000. Ten jsme následně zapojili přes USB do počítače, kde jsme mohli v programu SpectraSuite sledovat naměřená spektra. Měření jsme nejdříve začali kontrolou kalibrace spektrometru. Pomocí optického kabelu, jehož konce jsme očistili, jsme připojili lampu k spektrometru. V grafu (Obr. 3) je vidět námi naměřené spektrum a na dalším grafu (Obr. 4) je vidět spektrum garantované výrobcem z technické dokumentace kalibrační lampy. Srovnáme-li tyto dva obrázky tak se na první pohled zdá, že spektrometr není zkalibrován. Ovšem musíme si uvědomit, že na přenos světla z lampy do měřáku jsme použili optické vlákno, které v UV oblasti prakticky nepřenáší. Měření v oblasti pod 400 nm proto nemá valný smysl a v další část protokolu se mi již nebudeme věnovat. Nebudeme-li brát v potaz relativní intenzitu, tak si můžeme všimnout, že všechny píky vyznačené na grafu Obr. 3 jsou přibližně o 1 nm posunuté od píků na grafu Obr. 4. Můžeme tedy předpokládat, že spektrometr je správně zkalibrovaný. 2.4 Měření spektra laserové diody a velikosti rezonátoru Při dalším měření jsme převedli signál z laserové diody optickým vláknem do spektrometru a měřili změnu spektra laseru při změně jeho teploty. V grafu (Obr. 5) jsou vidět spektra při teplotách T 1 = 10ºC, T 2 = 20ºC a T 3 = 40ºC. Hodnoty jsou proložené Gaussovskou funkcí, ze které jsme mohli i určit šířku spektrální čáry tohoto laseru. Tyto hodnoty jsou zaneseny do tabulky (Tab. 2). Z grafu je vidět, že při ohřátí laserové diody o 30ºC se změnila posunula spektrální čára přibližně o 6nm. Během dalšího měření jsme postupně snižovali proud v LD a sledovali jsme na spektroskopu chvíli, kdy je vidět módová struktura spektra. Tu jsme zaznamenali a zanesli do grafu (Obr. 6)

4 Obr. 3 Naměřené kalibrační spektrum lampy 6025 Hg Obr. 4 Kalibrační spektrum lampy 6025 Hg z technické dokumentace od výrobce

5 Obr. 5 Spektrum laserové diody při teplotách T 1 = 10ºC, T 2 = 20ºC a T 3 = 40ºC. T [ºC] λ [nm] r fwhm [nm] ± ± ± ± ± ± 0.03 Tab. 2 Přibližné hodnoty vlnové délky λ a šířky pulzu r fwhm v závislosti na teplotě T. Ze znalosti vzdáleností jednotlivých píků v módové struktuře spektra můžeme vypočítat délku rezonátoru a ze vztahu λ F = λ 0 2 2na, (4) kde λ F je vzdálenost mezi dvěma módy v okolí vyzařované délky λ 0 = 650nm a n je index lomu. Index lomu n můžeme určit ze znalosti vlnové délky laseru. Z [2] jsme určili, že index lomu bude s největší pravděpodobností rovný n = 3.6. vzdálenost mezi dvěma píky jsme z grafu určili jako λ F 0.9 nm. Dosazením do vzorce (4) pak určíme délku rezonátoru laserové diody jako a = 65.2 μm. Módová struktura je přiložena v grafu (Obr. 6). 2.5 Spektra různých zdrojů Jako předposlední měření jsme měřili spektra různých světelných zdrojů. Jednalo se ve většině případů o diody různých barev a halogenovou lampu. Do provizorního nástavce jsme umístili konec optického vlákna a na něj jsme poté svítili různými zdroji. Při tomto měření jsme měli odečtené spektrum na pozadí a také jsme v softwaru nastavili lepší vyhlazování. Do grafu (Obr. 7) jsme - 5 -

6 vynesli naměřené spektra modré, zelené a červené diody. Do druhého grafu (Obr. 8) pak spektrum bílé diody a halogenové lampy. U barevných diod jsme určili i dominantní vlnové délky a šířku jejich spektrální čáry. Tyto hodnoty jsou zaneseny v tabulce (Tab. 3). Obr. 6 Módová struktura laserového záření LD při prahovém proudu. Obr. 7 Spektra modré, zelené a červené diody - 6 -

7 Obr. 8 Spektra bílé diody a halogenové lampy. Dioda λ [nm] r fwhm [nm] Zelená ± ± 1 Modrá ± ± 1 Červená ± ± 1 Tab. 3 Přibližné hodnoty vlnové délky λ a šířky pulzu r fwhm pro různé diody Na závěr tohoto měření je potřeba zdůraznit, že hodnoty intenzit nemají žádnou výpovědní hodnotu, neboť pro každý zdroj světla jsme měřili v různé vzdálenosti od vlákna a měřený zdroj jsme drželi v ruce. 2.6 Měření spektrálních spekter Jako poslední měření jsme určovali reflexní spektra různých materiálů. K tomu nám sloužila reflexní sonda, do které jsme přivedli vlákno ze kterého svítilo světlo z připojené halogenové lampy na vzorek pod úhlem 45º. Druhé vlákno ze sondy jsme poté zavedli do spektrometru. V softwaru SpectraSuite jsme zaznamenali referenční spektrum na bílém papíře a následně zapnuli režim měření reflexních spekter. Sondou jsme poté osvětlovali různé barvy na papíře a reflexní spektra jsme si zaznamenali. Ty jsme poté vynesli do grafu (Obr. 9). Na první pohled v grafu nás zaujme hodnota reflexe pro žlutý zvýrazňovač, která překračuje hodnotu 100%, tedy, že zvýrazňovač vyzářil víc světla než na něj dopadlo. To si můžeme vysvětlit přítomností luminoforu, který pohlcuje určité vlnové délky, které následně vyzáří v jiné oblasti. Ostatní spektra poté odpovádají našim představám, kdy červená barva odráží od červené barvy dále apod. Zkoumání povrchů pomocí UV LED jsme nedělali, neboť nebyla k dispozici

8 Obr. 9 Reflexní spektra různých materiálů 3. Použitá literatura [1] Návod k úloze 6 Zdroje optického záření a jejich vlastnosti [online][ ], [2] Optical constants of GaInP, [online][ ],