Актуальность исследования заключается в том, что существует идея вместо дорогих промышленных лазеров использовать лазерные диоды из DVD – привода для изучения явлений волновой и когерентной оптики в условиях школьной лаборатории.
Цель исследования – найти и реализовать условия устойчивой и стабильной генерации лазерного диода в одночастотном режиме для использования в голографических экспериментах.
Задачи:
1. Исследовать когерентные свойства излучения лазерного диода с мощностью излучения 40-120 мВт в зависимости от режимов его работы;
2. Измерить длину волны лазера и длину когерентности его излучения;
3. Найти условия устойчивой и стабильной генерации лазера в одночастотном режиме;
4. Разработать методику настройки режимов лазерного диода в устойчивом одночастотном режиме;
5. Сконструировать и изготовить экспериментальную голографическую установку на базе лазерного диода;
6. Изготовить с использованием лазерного диода в качестве источника когерентного излучения голограммы.
Объект исследования – полупроводниковый лазерный диод.
Предмет исследования – когерентные свойства лазерного диода.
Гипотеза исследования:
Для использовании лазерного диода в голографии следует обеспечить ему режим одночастотной генерации. Для этого надо найти оптимальный диапазон питающего тока и температуры. Большинство полупроводниковых лазеров красного излучения имеет длину когерентности порядка 3 – 5 мм. Но для некоторых лазерных диодов можно подобрать значения тока питания и температуры, при которых возникают условия одночастотной генерации, а длина когерентности может достигать десятков сантиметров.[1]
Особенности работы лазерных диодов
Лазерный диод – нелинейный электрический элемент, и закон Ома для него не выполняется. Поэтому он нуждается в управлении не напряжением, а током. В зависимости от мощности лазерный диод потребляет 100 – 400 мА.
Главными преимуществами лазерных диодов (см. Рис.1) являются низкое напряжение их электропитания (<1-3 В), наибольший среди других типов лазеров КПД (до 80%) и долговечность (до 100000 часов). В полупроводниковой активной среде показатель усиления может достигать очень больших значений (до 10000/см.), благодаря чему размеры полупроводниковых лазеров исключительно малы.
Основным фактором, приводящим к перестройке частоты генерации излучения, является изменение вместе с температурой и током, положения максимума линии усиления активной среды. Согласно проведенным измерениям, изменение длины волны в зависимости от температуры находится в интервале 0.18 – 0.22 нм/°С. В то же время ширина многих температурных интервалов, в которых реализуется одночастотный режим, составляет 1.5–2°С, а в отдельных случаях даже больше.[2]
[1] Дворцов Д.В., Парфенов В.А. Спектральные характеристики одночастотного режима работы лазерных диодов. Научное приборостроение. - Т.24. №3, 2014. С. 42-48.
[2] Акилов А.А., Шевцов М.К. Голография для любознательных: Книга для научных сотрудников школьного возраста. 2017. С. 206.
Зависимость частоты генерации лазера HL-6358 от температуры (заштрихованные области соответствуют многочастотному режиму генерации, а для стабилизации можно выбрать температуру в диапазоне 23,5 – 25,5 °С).
В процессе исследования лазерного диода были проведены следующие работы и получены положительные результаты:
1. С целью определения условий одночастотной генерации лазерный диод (1) пришлось стабилизировать не только по току накачки, но и температуре миниатюрного резонатора с помощью элемента Пельтье (3).
Рис. 3. Схема стабилизации лазерного диода.
Была собрана экспериментальная установка.
Оптическая схема экспериментальной установки .
LD – лазерный диод;
F1 и F2 – фокусные расстояния линз L1 и L2;
ИФП – интерферометр Фабри-Перо;
ПЗС – матрица фотокамеры 18х24 мм.
1. Визуально определены условия одночастотного режима излучения лазерного диода по ширине интерференционной полосы;
2. Произведен расчет длины волны, ширины спектра и длины когерентности излучения лазерного диода по картине ИФП;
Произведена запись экспериментальных голограмм.
1. Лазерный диод с устройством термостабилизации;
2. Фотопластинка ПФГ – 03М;
3. Объект;
4. Лабораторный штатив.
Предложена конструкция любительской установки для голографических экспериментов.
Конструкции установок из труб, подобных тем, что изображены на рисунках, позволяют собирать самые разнообразные конфигурации с достаточной для записи голограмм жесткостью
1 - Стойки диаметром 25 мм и длиной 600 мм.
2 - Стяжки диаметром 25 мм и длиной 200 мм.
3 - Консоль диаметром 25 мм и длиной 500 мм.
4 - Основание диаметром 25 мм и длиной 800 мм.
5 - Держатель голографического фотоматериала диаметром 25 мм и длиной 150 мм.
6 - Держатель зеркала для записи голограмм Лейта-Упатниекса диаметром 25 мм и длиной 200 мм.
7 - Держатель зеркала с наружным отражающим покрытием.
8 - Предметный столик 170х300 мм из ДСП толщиной 15 мм.
9 - Держатель лазерного диода с радиатором охлаждения.
10 - Зеркало с наружным отражающим покрытием.
Заключение
Цель нашего исследования – найти и обеспечить условия устойчивой и стабильной генерации лазерного диода в одночастотном режиме для голографии – была выполнена. На основании анализа результатов, проведенных исследований излучения лазерного диода мы выбрали условия наиболее устойчивой одночастотной генерации излучения:
· Стабилизированный ток – 111 мА.
· Стабилизированная температура – 21,5 градуса Цельсия или 1724 у.е.
Гипотеза нашего исследования доказана экспериментально. Измеренные параметры излучения лазерного диода совпали с результатами экспериментальной проверки. Доказано, что с помощью лазерного диода можно успешно получать голограммы. Лазерные диоды из DVD-приводов всем доступны, что позволяет создавать голографические установки в школьных лабораториях.
Авторы выражают благодарность Акилову Александру Анатольевичу за помощь в экспериментальной части работы, а также доценту кафедры физики ярославского Педагогического Университета им. К.Д Ушинского Галине Васильевне Жусь за предоставленное помещение лаборатории и оборудование.
Список использованной литературы:
1. Акилов А.А., Шевцов М.К. Голография для любознательных: Книга для научных сотрудников школьного возраста. 2017. С. 206.
2. Баклицкий В.К., Юрьев A.H. Оптическая голография / Под ред. Г. Колфилда. Пер. с англ., - Т. 1-2, M., 1982. С. 736.
3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. С. 719.
4. Дворцов Д.В., Парфенов В.А. Одночастотный режим работы лазерных диодов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физ.-мат. науки. - Т. 170, Вып. 2. 2013 С. 89–96.
5. Дворцов Д.В., Парфенов В.А. Спектральные характеристики одночастотного режима работы лазерных диодов. Научное приборостроение. - Т.24. №3, 2014. С. 42-48.
6. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1976. С. 392.
7. Комар В.Г., Серов О.Б. Изобразительная голография и голографический кинематограф. М.: Искусство, 1987. С. 288.
8. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979. С. 480.
9. Стронг Д. Практика современной физической лаборатории. / Пер. с англ. М., Л.: ОГИЗ, Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. С. 444.
Унион М. Знакомство с голографией. / Пер. с англ. А.Н. Кондрашовой / Под ред. и с предисл. А.И. Ларкина. М.: Мир, 1980. С. 191.