Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Кафедра электронных приборов (ЭП)

Пояснительная записка к курсовой работе

Адаптивный интерферометр для изучения двухволнового взаимодействия на динамических пропускающих голограммах в кубических фоторефрактивных кристаллах

по дисциплине «Оптическая физика»

Выполнил А.Р.Гнатышин

Руководитель В.И. Быков

2014



РЕФЕРАТ

Курсовая работа

АДАПТИВНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОПУСКАЮЩИЕ ГОЛОГРАММЫ КУБИЧЕСКИЕ ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

Источником света служит твердотельный лазер, длина волны которого составляет 532 нм. В установке использовался фотодиод ФД-24К.

Целью работы является: изучение установки и изменение интенсивности интерференционной картины.

В данной работе рассматривается адаптивный интерферометр для изучения двухволнового взаимодействия на динамических пропускающих голограммах в кубических фоторефрактивных кристаллах.

Уровень математического аппарата-интегральный.

Уровень ЭВМ - пакет типа Matcad.

Уровень компьютерной графики - Скриншот,Paint.

Приложен CD - содержащий документ Microsoft word 2007.

Работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft word 2007.



ABSTRACT

ADAPTIVNYY INTERFEROMETR DYNAMIC SKIPPED GOLOGRAMMAY CUBIC PHOTOREFRACTIVE CRYSTALS

The light source is a solid state laser, whose wavelength is 532 nm. The apparatus used photodiode FD - 24K .

The aim is: the study of plant and variation in the intensity of the interference pattern .

This paper describes an adaptive interferometer for studying the two-wave interaction on the dynamic transmission holograms in cubic photorefractive crystals .

Level - mathematical apparatus integral .

Level computer - package type Matcad.

The level of computer graphics - Screenshot , Paint.

Work is done in a text editor Microsoft word 2007.



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Интерференция волн

1.2 Колебания

1.3 Интерферометр

1.4 Исследование голографических интерферометров

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Измерение интенсивности фазовой интерференционной картины

2.2 Методика проведения эксперимента

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

4. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Адаптивная оптика -- раздел физической оптики, изучающий методы устранения нерегулярных искажений, возникающих при распространении света в неоднородной среде, с помощью управляемых оптических элементов. Основные задачи адаптивной оптики -- это повышение предела разрешения наблюдательных приборов, концентрация оптического излучения на приёмнике или мишени и т. п.[1].

Интерференцией света называется наложение когерентных световых волн, в результате которого происходит перераспределение световой энергии в пространстве, и в одних точках пространства наблюдается усиление световых колебаний, а в других - ослабление. Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз колебаний [2].

Голографическая интерферометрия используется, в частности, для исследования вибраций. Это имеет большое практическое значение для неразрушающего контроля качества деталей. На широко распространенных голографических методах исследования деформаций основан неразрушающий контроль качества изделий в промышленности. Голографическая интерферометрия позволила значительно расширить изучение фазовых объектов. Она успешно применяется в аэродинамических исследованиях и в физике плазмы.

Голография - это универсальный метод регистрации и визуализации, волновых полей с целью выявления необходимой информации как об объекте, являющемся источником излучения, так и о характере волнового поля. Впервые идея голографического метода записи и восстановления изображений была высказана в 1948 г. английским ученым Д. Габором, которому за это открытие в 1971 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. В Советском Союзе первые работы по голографии были выполнены Ю. Н. Денисюком в период с 1958 по 1962 гг.[3].

Основной целью курсовой работы является изучение двухволнового взаимодействия на динамических отражательных голограммах в кубических фоторефрактивных кристаллах.



1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Интерференция волн

Интерференция волн - это явление наложения когерентных волн, свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т.д.)

Когерентностью называют - согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов или свойство, отражающее стабильность фазы одной или нескольких электромагнитных волн.

При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний (смещения) этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматриваемой точки.[4].

1.2 Колебания

Колебаниями называются процессы, которые обладают той или иной степенью повторяемости во времени. Гармоническими называются такие колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону косинуса (синуса)[5].

Для сложения колебаний удобно применять метод векторных диаграмм, который представлен на рисунке 1[6].



Рисунок 1- Сложение комплексных векторов на диаграмме

Суть этого метода в том, что гармоническое колебание представляется при помощи вектора, длина которого равна амплитуде колебания, а направление вектора образует с осью OX угол, равный фазе колебания. Амплитуда и начальная фаза результирующего колебания определяются при помощи векторного сложения. Складываем два гармонических колебания:

x₁(t)=A₁cos(щ₀t+ц₀₁)(1)

x₂(t)=A₂cos(щ₀t+ц₀₂)(2)

При сложении соответствующих им векторов и для момента времени t, проекция результирующего вектора на ось Оx равна сумме проекций складываемых векторов =+. Вектор представляет собой векторное изображение результирующего колебания.Результирующий вектор вращается с той же угловой скоростью что и и.

Результирующее колебание является гармоническим с частотой ₀

x(t)=Аcos(щ₀t+ц),(3)

где (4)



Амплитуда A результирующего колебания зависит от разности начальных фаз ₂ - ₁. Так как разность ₂ - ₁ = const (такие колебания называются когерентными).[2].

1.3 Интерферометр

волна адаптивный интерферометр поляризация

Интерферометр- измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок света пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и возвращается на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить смещение фаз пучков.[7].

1.4 Исследование голографических интерферометров

Принцип работы адаптивного голографического интерферометра заключается в следующем. При взаимодействии лазерных пучков (I_S и I_P на рис. 2) в фоторефрактивном кристалле формируется динамическая голограмма, на которой одновременно происходит самодифракция этих пучков [8,9]. На выходе из кристалла происходит интерференция каждого из прошедших пучков с одним из дифрагировавших пучков, то есть опорный пучок I_P0 интерферирует с I_S1, а I_S0 - с I_P1. Интенсивность прошедшего через кристалл сигнального пучка можно представить в виде:

(5)

(6)



где m - контраст интерференционной картины, I₀ - суммарная интенсивность пучков I_S0 и I_P1, а - фазовый сдвиг между ними.

(7)

Рисунок 2 - Схема встречного взаимодействия пучков в фоторефрактивном кристалле.

Если входной сигнальный пучок I_S получен отражением от объекта, колеблющегося с частотой ?, то он имеет фазовую модуляцию и его выходная интенсивность после взаимодействия на голограмме со стационарным опорным пучком будет амплитудно-модулированной на частотах n?, кратных частоте модуляции, со спектральным распределением глубины модуляции , зависящим от значения ц₀.

Интенсивность сигнального пучка после взаимодействия на отражательной решетке на выходной грани кристалла (вне его, при x =- d), может быть получена в следующем виде:



(8)

где R - френелевский коэффициент отражения;

(9)

I_S0- интенсивность сигнального пучка в кристалле на его входной грани (при х = 0); М⁽ⁿ⁾ - относительные амплитуды гармоник, которые зависят от ориентации образца относительно кристаллографических осей.

При линейной поляризации сигнальной волны в плоскости, составляющей угол с кристаллографическим направлением, относительные амплитуды гармоник определяются следующими выражениями [9]:

, (10)

, (11)

. (12)

где J_n(ц_n) - функция Бесселя n-порядка, Г_I - коэффициент двухпучкового усиления, с - удельное оптическое вращение, d - толщина кристалла.[8,9].



2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки для исследования взаимодействия сигнального светового пучка, с использованием горизонтальной поляризации на пропускающих динамических голограммах в кубических фоторефрактивных кристаллах представлена на рис. 3

Рисунок 3. - Схема экспериментальной установки

ЛГ - лазер, КЛ - коллиматор, ОС - оптическое стекло, М1, М2 - зеркала, Кр - кристалл Bi12SiO20 (001), ФВ - фазовращатель, З - затвор для блокирования опорного пучка, П - поляризатор.

Источником света служит лазер на кристалле Bi₁₂SiO₂₀(Силикат Висмута). Длина волны, которого составляет 532 нм. Выходная мощность лазера составляет 40ч400 мВт.

Пучок света проходит через оптическое стекло и делится на 2 пучка опорный и сигнальный.

Два пучка проходят поляризаторы и с помощью зеркал направляются на фоторефрактивную решетку. На выходе сигнал регистрируется фотодиодом (в экспериментах использовались фотодиоды ФД-24К). А также к установке подключается вольтметр, и другое необходимое оборудование.

2.1 Измерение интенсивности фазовой интерференционной картины

При падении на кристалл плоскополяризованных лучей опорной и сигнальной волн твердотельного лазера в кристалле формируется фоторефрактивная решетка, которая имеет различные параметры пропускания при ориентации кристалла вокруг своей оси.

Опорный и сигнальный световые лучи пересекаются под углом 2и и формируют интерференционную картину с периодом Л=л/2sinи. Голографическая решетка, соответствующая данной интерференционной картине, формируется в кристалле благодаря фоторефрактивному эффекту, а именно: изменению показателя преломления среды под действием света и обусловленному фотовозбуждением и пространственным перераспределением носителей заряда.

Меняя ориентацию кристалла, мы изменяем параметры интенсивности фазовой интерференционной картины.

Ориентация кристалла изменяется от 0⁰ до 360⁰.

2.2 Методика проведения эксперимента

В данном эксперименте исследовалось интенсивность сигнального пучка. В эксперименте использовался образец кристаллаBSO.

Кристалл помещался в специальный держатель так, что выходная и входная грани образца были параллельны кристаллографической плоскости [110].

В эксперименте проводилось исследование интенсивности сигнального пучка при открытой и закрытой шторке, при разной мощности кристалла от 30 мВт до 90 мВт, и изменении ориентации кристалла от 0⁰ до 360⁰.

С использованием формулы

Г= (2.1)

Г -экспоненциальный коэффициент двухпучкового усиления.

D- толщина кристалла Ниобата Лития 3 мм.

U₁- при открытой шторке.

U₂ - при закрытой шторке.

Цель проведения эксперимента.

Снять поляризационную характеристику сигнального пучка вращая кристалл от 0⁰ до 360⁰.



3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1)Была снята интенсивность сигнального пучка при мощности лазера в 30-40 мВт.

В таблице 3.1 изображены результаты экспериментальных данных снятые с установки адаптивного интерферометра для изучения двухволнового взаимодействия на динамических пропускающих голограммах в кубических фоторефрактивных кристаллах.

Таблица 3.1 Результаты экспериментальных значений при мощности 30-40 мВт.

И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ
0	44	29	70	24	26	140	26	26	210	28	28	280	32	28
10	36	28	80	29	24	150	24	26	220	28	28	290	31	29
20	31	27	90	29	24	160	24	27	230	30	27	300	31	28
30	30	29	100	29	27	170	24	26	240	31	27	310	31	26
40	30	29	110	28	27	180	23	26	250	32	26	320	29	28
50	26	27	120	27	27	190	24	26	260	31	26	340	28	29
60	26	26	130	27	27	200	26	27	270	31	27	350	28	30
												360	30	29



Рисунок 4.- Зависимость экспоненциального коэффициента от угла ориентации.

На рис. 4., черной линией изображен теоретический расчет распределения интенсивности сигнального пучка от ориентации кристалла. График с круглыми точками является расчет экспериментальных данных.

2)Была снята интенсивность сигнального пучка при мощности лазера в 60-65 мВт.

Таблица 3.2 Результаты экспериментальных значений при мощности 60-65 мВт.

И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ
0	50	76	70	42	43	140	49	46	210	56	59	280	56	59
10	52	70	80	43	45	150	49	46	220	58	64	290	54	56
20	50	56	90	45	46	160	49	43	230	57	68	300	54	54
30	47	49	100	49	50	170	50	42	240	58	69	310	54	54
40	44	44	110	48	49	180	52	42	250	56	67	320	52	52
50	45	45	120	50	51	190	50	48	260	53	64	340	51	56
60	45	48	130	51	50	200	51	53	270	55	62	350	49	54
												360	48	54



Рисунок 5 -Зависимость экспоненциального коэффициента от угла ориентации.

3)Была снята интенсивность сигнального пучка при мощности лазера в 80-90 мВт.

Таблица 3.3 Результаты экспериментальных значений при мощности 80-90 мВт.

И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ	И0	U1,мВ	U2,мВ
0	50	76	70	45	43	140	49	46	210	56	59	280	56	59
10	52	70	80	45	43	150	49	46	220	58	64	290	54	56
20	50	56	90	45	46	160	49	43	230	56	68	300	52	54
30	47	49	100	49	50	170	50	42	240	58	69	310	54	54
40	45	44	110	48	49	180	50	42	250	56	67	320	52	52
50	45	44	120	50	51	190	50	48	260	53	64	340	51	56
60	45	48	130	51	52	200	51	53	270	55	62	350	49	54
												360	48	54



Рисунок 6-Зависимость экспоненциального коэффициента от угла ориентации.



4. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТА

Были сняты три графика, проанализировав которые можно сказать, что при малой мощности лазера, наши результаты достаточно отличаются от теоретических результатов, при снятии эксперимента с более высокой мощностью лазера 80-90 мВт.

Точность результата намного выше и почти совпадает с теоретическими результатами.

Можно сделать вывод, что при более высокой мощности получаются более точные данные.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе данной работы было изучено устройство и принцип работы адаптивного интерферометра на попутных пучках. Были проведены измерения фазовой интерференционной картины.

В ходе исследования можно определить, что точность измерений зависит от мощности лазера, чем выше мощность, тем точнее измерения.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Ермолаева Е.В., Зверев В.А., Филатов А.А., «Адаптивная оптика».-2012 г, 423 с

2) Лансберг Г.С. Оптика. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2003-848 с.

3) Миллер М. Голография. Л: Машиностроение. 1979- 200 с.

4) Шандаров.С.М., «Введение в оптическую физику», учебное пособие - 2012 г-127 с.

5) Савельев И.В. Курс общей физики. Том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика.- М: Наука, 1970 г, 511c.

6) Колебания Метод векторных диаграмм [Электронный ресурс]:.- Режим доступа: http://www.docme.ru/doc/23254/lekciya-17-kolebaniya--metod-vektornyh-diagramm. Дата обращения 3.05.14, свободный.

7) Коломийцов Ю.В. Интерферометры. - Л.:Машиностроение,1976.-299с.

8) Колегов А.А., Быков В.И., Шандаров С.М., Каргин Ю.Ф. «Адаптивная интерферометрия с использованием голограмм Денисюка в кубических фоторефрактивных кристаллах», учебное пособие, Томск ТМЦДО - 2010 г, 366с.

9) КимР.С., КабановаЛ.А., КолеговА.А., Шмаков C.C. // Частотная характеристика голографического интерферометра, учебное пособие, Томск ТМЦДО - 2010 г, 199с.

10) Шандаров. С.М., Шандаров. В.М., Мендель. А.Е., Буримов. Н.И., «Фоторефрактивные эффекты в электрооптических кристаллах», учебное пособие, Томск ТМЦДО - 2007 г,226с.

Размещено на Allbest.ru