Hướng dẫn thí nghiệm môn học Kỹ thuật Laser

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học -------------

Hướng dẫn thí nghiệm môn học

KỸ THUẬT LASER

Họ và tên sinh viên: Tài Liệu HUST

Mã lớp học: Bachkhoa Universe

Mã lớp thí nghiệm:

Hà nội, 2022

CÁC CẤP ĐỘ AN TOÀN CỦA LASER

Sự nguy hiểm của laser được chia thành 4 loại chính dựa vào khả năng gây ra phá hủy về mặt sinh học đối với mắt và da. Mục đích của việc phân loại mức độ nguy hiểm là để cảnh báo người sử dụng về sự nguy hại khi tiếp xúc với laser. Các giới hạn tiếp xúc phụ thuộc vào công suất phát hay năng lượng, bước sóng bức xạ, thời gian tiếp xúc, diện tích mặt cắt ngang của chùm laser.

Phân loại Laser theo ANSI (American National Standard Institute – Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ):

Loại I (class I): Không thể phát xạ laser ở mức độ nguy hiểm (đặc trưng cho loại này là laser liên tục CW (continous wave) công suất 0,4 µW tại bước sóng khả kiến. Laser thuộc loại này bao gồm các máy in laser, máy hát đĩa CD, và thiết bị trắc địa, và chúng không được phép phát ra các mức bức xạ quang học trên giới hạn phơi sáng đối với mắt.

Loại I.A (class I.A): Là loại thiết kế chuyên dụng cho các laser không có khuynh hướng nhìn, ví dụ như máy quét laser mã vạch ở siêu thị. Được phép có công suất cao hơn laser loại I (không quá 4 mW), nhưng không được vượt quá giới hạn loại I trong khoảng thời gian phát xạ hơn 1000 giây.

Loại II (class II): Là các laser công suất thấp phát ra chùm tia trong miền quang phổ khả kiến. Những laser này bị giới hạn công suất phát dưới 1mW, thấp hơn độ phơi sáng lớn nhất cho phép là 0,25 giây hoặc ít hơn. Phản ứng khó chịu tự nhiên đối với ánh sáng khả kiến có độ sáng này giúp bảo vệ mắt khỏi bị phá hủy, nhưng bất cứ sự cố ý nhìn quá thời gian nào cũng sẽ đều dẫn tới hỏng mắt. Một số ví dụ laser thuộc loại này là các laser thuyết trình dùng trong lớp học, các con trỏ laser, và những dụng cụ đo xa.

Loại IIIA (class IIIA): Là những laser liên tục công suất trung bình (1-5 mW). Chúng được xem an toàn khi nhìn trong chốc lát (dưới 0,25 giây), nhưng không nên nhìn trực diện hoặc nhìn qua bất kì dụng cụ quang phóng đại nào.

Loại IIIB (class IIIB): Có công suất trung bình (sóng liên tục 5-500 mW, hoặc laser xung là 10 J/cm2 ), và không an toàn khi nhìn trực diện hoặc nhìn qua sự phản xạ. Những đo đạc an toàn đặc biệt được khuyến nghị trong tiêu chuẩn điều khiển sự rủi ro của laser thuộc loại này. Ví dụ ứng dụng của laser thuộc loại này là quang phổ kế, kính hiển vi đồng tiêu và các sô diễn ánh sáng giải trí.

Loại IV (class IV): Phát ra công suất cao, vượt quá giới hạn dành cho laser loại IIIB, và yêu cầu phải điều khiển nghiêm ngặt để loại trừ nguy hiểm trong lúc sử dụng chúng. Cả chùm tia trực tiếp lẫn chùm tia phản xạ khuếch tán từ laser loại này đều làm hỏng mắt và da, và có khả năng gây cháy tùy thuộc vào chất liệu mà chúng chạm tới. Đa số tổn thương cho mắt vì laser là do sự phản xạ của ánh sáng laser loại IV, và vì vậy mọi bề mặt phản xạ phải giữ ra xa chùm tia và phải đeo kính bảo vệ mắt thích hợp mọi lúc khi làm việc với các

laser này. Laser thuộc loại này được dùng cho phẫu thuật, cắt, khoan, vi gia công cắt gọt, và hàn.

Bài I

ĐO KÍCH THƯỚC LỚN CỦA BỘ PHẬN VÀ CHI TIẾT MÁY BẰNG LASER THEO PHƯƠNG PHÁP DỊCH PHA

Mục đích:

- Sinh viên hiểu được phương pháp đo kích thước lớn của các bộ phận hoặc

chi tiết máy theo phương pháp dịch pha. Biết cách sử dụng thiết bị đo khoảng cách bằng laser. -

Thiết bị thí nghiệm :

• Máy đo khoảng cách bằng laser cầm tay Leica DISTO D2

• Chi tiết đo mẫu và chốt trụ có đường kính d theo hình vẽ 1.3

• Encoder góc có 24000 xung.

Nội dung thí nghiệm:

- Tìm hiểu và nắm được nguyên lý hoạt động của máy đo khoảng cách bằng laser - Thực hiện phép đo trực tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L - Thực hiện phép đo gián tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L

Trình tự thí nghiệm:

1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của thiết bị đo

• Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo.

Phương pháp này sử dụng các bộ điều biến để điều chế cường độ tia laser thành dạng tín hiệu điều hòa có tần sô f không lớn.

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách bằng dịch pha

𝐿  = 4f 𝑐

Sơ đồ nguyên lý chung của thiết bị đo bằng di pha như hình 1.1 tia laser từ nguồn sẽ bị điều biến thành các sóng điều hòa dạng sin với tần số f bởi tín hiệu từ bộ tạo dao động điều hòa. Tín hiệu đo từ bộ điều biến sau khi phản xạ từ mặt đo ở khoảng cách L sẽ được thu nhận ở hệ quang điện và được gửi đến bộ so pha cùng với tín hiệu điều hòa chuẩn từ bộ tạo dao động. Bộ so pha sẽ đo độ sai lệch pha giữa tín hiệu chuẩn và tín hiệu đo. Pha của tín hiệu thu về sẽ chậm hơn tín hiệu phát ra:

- c là vận tốc ánh sáng. - f là tần số của tín hiệu đã được điều chế.

Như vậy chiều dài cần đo:

L = c.  / 4f

Độ nhạy của phương pháp này phụ thuộc vào khả năng đo độ lệch pha của hai tín hiệu. Nếu tần số tín hiệu được điều chế là f = 1,56.107 Hz và khả năng đo lệch pha là 1 phút thì độ phân giải của của phép đo là 1mm.

• Cách sử dụng thiết bị đo.

(2).Thiết lập gốc tọa độ

(1).Khởi động thiết bị đo và lấy kết quả

(4).Kết quả đo (3).Đơn vị đo

(5).Tổng các lần đo (6).Hiệu các lần đo

(8).Đèn nền màn hình

(7). Các chức năng đo

(9).Xóa kết quả và tắt thiết bị

Hình 1.2. Ảnh thiết bị đo khoảng cách cầm tay Leica DISTO A2

Phạm vi đo: từ 0,05m đến 60m độ chính xác ±1,5mm Cách sử dụng : Bấm nút ON/ DIST (1) để khởi động thiết bị. Hướng tia laser vào điểm cần đo, bấm nút ON/ DIST là được kết quả đo (4) trên màn hình. Có thể thiết lập gốc tọa độ đo (2) từ phía đầu hoặc phía cuối của dụng cụ đo. Bấm nút (5)

và (6) để tính tổng và hiệu hai lần đo liên tiếp. Bấm nút (7) để đo diện tích, thể tích của chi tiết.

Hình 1.3. Chi tiết đo và chốt trụ

Hình 1.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm

2. Đo trực tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L

• Bước 1: Gá hai chốt trụ có đường kính bằng đường kính lỗ d = 8 mm vào hai lỗ, cài đặt dụng cụ đo laser khoảng cách sao cho gốc tọa độ ở phần cuối của dụng cụ đo.

• Bước 2: Đặt dụng cụ đo lên một đầu của chốt hướng tia laser về phía chốt còn lại sao cho phương của tia laser vuông góc với đường tâm chốt trụ, bấm nút ON/DIST sao cho tia laser có phương trùng với đường nối hai tâm chốt. Bấm nút ON/DIST lần thứ 2 và đọc chỉ thị hiển thị trên màn hình của dụng cụ đo ta được khoảng cách từ gốc tọa độ đo đến chốt A.

Lặp lại thao tác trên 5 lần và ghi kết quả vào bảng 1.1. Khoảng cách hai tâm lỗ L sẽ là: L= + d

3. Đo gián tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L

Có những chi tiết không thể thực hiện đo khoảng cách hai tâm lỗ theo phương pháp đo trực tiếp ta có thể đo khoảng cách gián tiếp như sau: thiết bị gồm hai chốt

trụ đường kính d. Và một encoder góc có 24000 xung trên một vòng chia 360o. Thiết

bị đo khoảng cách laser được đặt lên encoder góc để đo góc quay  giữa hai phương

của kích thước l1 và l2. Để đo được góc quay  ta đếm số xung trên encoder góc, do

𝑠ố 𝑥𝑢𝑛𝑔

=

× 3600

120000

đó góc  được tính bằng công thức:

Hình 1.5: Sơ đồ đo khoảng cách gián tiếp

• Bước 1: Gá hai chốt trụ vào hai lỗ, đặt dụng cụ đo khoảng cách laser lên

encoder góc sao cho điểm xuất phát của tia laser trùng với tâm quay của encoder.

• Bước 2: Bấm nút ON/DIST chiếu tia laser về phía chốt trụ thứ nhất sao cho

phương của tia laser trùng với phương của đường nối từ tâm quay đến chốt trụ, cài

đặt dụng cụ đo laser sao cho gốc tọa độ ở phần đầu của dụng cụ đo, set 0 trên màn

hiển thị số xung của encorder góc. Bấm nút ON/DIST lần thứ 2 và đọc chỉ thị hiển

thị trên màn hình của máy đo khoảng cách laser ta được khoảng cách từ gốc tọa độ

đo đến chốt l1. Xoay dụng cụ đo và hướng tia laser về phía chốt trụ thứ 2 sao cho tia

laser đi qua phương của đường nối tâm chốt trụ thứ 2 và tâm đĩa chia độ. Bấm nút

ON/DIST và đọc chỉ thị trên màn hình của dụng cụ đo ta được khoảng cách l2. Xác

định góc xoay của dụng cụ đo laser bằng cách đọc số xung trên màn hiển thị ta sẽ

tính được góc quay của dụng cụ đo .

Lặp lại thao tác trên 5 lần và ghi kết quả vào bảng 1.2.

Khoảng cách hai tâm lỗ sẽ là:

r là bán kính chốt trụ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI I

Tên sinh viên thí nghiệm :

Lớp :

Ngày thí nghiệm :

Người hướng dẫn : Đánh giá:

SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

1. Đo trực tiếp kích thước L=1000

Bảng số liệu 1-1

Thông số A

Lần đo (mm)

1 đo số

= Giá trị trung bình

• Khoảng cách hai tâm lỗ L:

L = + d =

2. Đo gián tiếp kích thước L=1000

Số xung l1 (mm) l2 (mm)  (o) Thông số Lần đo

Bảng số liệu 1-2 Khoảng cách L (mm) 1

Số xung l1 (mm) l2 (mm)  (o) Thông số Lần đo

Bảng số liệu 1-3 Khoảng cách L (mm) 1

𝑛 ∑ 𝐿𝑖 𝑖=1

𝑛

• Khoảng cách trung bình giữa 2 tâm lỗ L: 𝐿̅ =

So sánh kết quả của hai phương pháp đo trực tiếp và gián tiếp đưa ra nhận xét

về độ chính xác của hai phương pháp: ………………………………………….

……………………………………………………………………………………….

Tại sao: …………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………………………….

Bài II

XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT PHÂN CỰC CỦA LASER VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA NGUỒN NUÔI VÀ CÔNG SUẤT CỦA LASER GaAs.

Mục đích: Xác định đặc điểm phân cực của một nguồn sáng laser bán dẫn và sự phụ thuộc của công suất phát theo dòng nuôi.

Thiết bị thí nghiệm :

• Nguồn laser GaAs bước sóng 650 nm, P = 1 mW

• Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dòng điện.

Nguồn điện 1 chiều Nguồn laser GaAs

Hình 2.1. Hình ảnh nguồn laser và nguồn nuôi

• Ampe kế điện tử (mA)

• Thiết bị đo công suất laser

Cảm biến quang điện

Bộ đo công suất

Hình 2.2. Ảnh cảm biến quang điện và nguồn nuôi

• Tấm phân cực

Nội dung thí nghiệm :

- Xem xét và mô tả về cấu tạo của laser GaAs

- Xác định sự phân cực của laser GaAs

- Đo sự thay đổi của công suất phát laser GaAs theo dòng

Trình tự thí nghiệm :

1. Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo laser bán dẫn GaAs.

Laser diode bao gồm một đơn tinh thể của Ga –As, kích thích theo dạng tiếp

giáp p-n và được đặt một điện thế ban đầu.

Hình 2.3. Cấu trúc đơn giản của diode laser tiếp giáp đơn

Tạo phân bố đảo và tăng khả năng tái hợp lại, khoảng 1mm độ rộng gọi là vùng hoạt động laser, điều quan trọng ở đây là mật độ dòng cao hàng trăm ampe trên mối mm2. Khởi đầu cho sự phát laser được đặc trưng bởi dòng phun gọi là dòng ngưỡng, dưới dòng ngưỡng Ith này thì sự phát xạ ánh sáng là tự phát và không kết hợp. Ở hai đầu của diode được đánh bóng tạo buồng cộng hưởng quang, các cạnh bên được làm nhám để tán xạ ánh sáng, hình 2.3.

Laser bán dẫn có đặc điểm là công suất và phổ phát xạ phụ thuộc vào dòng

nuôi. Bởi vậy, việc ổn định dòng nuôi đó là hết sức quan trọng.

Trên hình 2.4, là một mạch nguồn điển hình. Dòng không đổi nhận được bởi sự thay thế một diode zener vào chỗ của trở kháng, thường giữa nền và đất. Dòng đi qua laser diode được cho bởi:

I0=(VI – VBE)/RE

VI : là điện áp phá hỏng của diode zener

VBE : điện áp Bazer- Emiter RE : trở kháng Emiter.

a, b,

Hình 2.4. Mạch nuôi điển hình cho diode laser(a),.

Mạch nguồn 1 chiều điều chỉnh dòng (b)

Laser bán dẫn có điện trở động nhỏ, chỉ một sự thay đổi nhỏ trong điện thế đặt vào sẽ có một sự thay đổi rất lớn trong dòng qua laser. Do vậy nguồn nuôi laser thường là nguồn dòng. Nguồn dòng nuôi laser phải cấp dòng ổn định và giảm thiểu tác động của xung tức thời.

2. Tìm hiểu sự phân cực của laser

Laser được coi là sóng điện từ ngang (sóng điện từ là sự kết hợp (nhân vecto) của dao động điện trường và dao động từ trường vuông góc với nhau lan truyền trong không gian như sóng (vận tốc của sóng điện từ trong chân không là xấp xỉ 299 792 458 m/s).

Điện trường

Từ trường

Hình 2.5. Sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian

Ánh sáng được gọi là không phân cực khi hướng của điện trường dao động ngẫu nhiên theo thời gian. Ánh sáng không phân cực có thể là ánh sáng mặt trời, đèn halogen, đèn led, đèn sợi đốt …. Ánh sáng phân cực là ánh sáng có điện trường dao động theo phương xác định. Nguồn sáng phân cực thông dụng nhất là nguồn laser.

Phụ thuộc và điện trường được định hướng như thế nào mà người ta phân biệt

sự phân cực ra thành 3 loại :

- Phân cực thẳng hay phân cực tuyến tính (Linear polarization): điện trường bị

hạn chế dao động chỉ theo mặt phẳng dọc theo phương truyền sóng.

- Phân cực tròn (Circular polarization): điện trường của ánh sáng bao gồm 2 thành phần phân cực thẳng vuông góc với nhau, bằng nhau về biên độ, nhưng lệch pha nhau 1 góc /2 (hình 2.6). Tùy thuộc vào hướng quay của vecto điện trường mà ánh sáng được gọi là phân cực tròn tay trái (left-hand) hay phân cực tròn tay phải (right-hand).

Hình 2.6. Hình ảnh minh họa phân cực tròn tay trái (a) và tay phải (b)

- Phân cực elip (Elliptical polarization): điện trường là sự kết hợp của 2 thành

phần phân cực thẳng có biên độ dao động khác nhau.

Hai trạng thái phân cực thẳng quan trọng nhất cho sự phản xạ và truyền qua là phân cực s và phân cực p. Ánh sáng phân cực p (parallel) có điện trường phân cực song song với mặt phẳng đến, trong khi đó phân cực s (xuất phát từ tiếng Đức là senkrecht) là ánh sáng có điện trường vuông góc với mặt phẳng đến.

3. Sự truyền qua kính phân cực của ánh sáng phân cực

Để chọn một loại phân cực cụ thể nào đó của ánh sáng, người ta sử dụng các kính phân cực. Kính phân cực có thể được phân chia thành các loại như: phân cực phản xạ (reflective), lưỡng sắc (dichroic) và lưỡng chiết (birefringent).

Kính phân cực phản xạ cho ánh sáng phân cực mong muốn truyền qua, trong khi phản xạ phần còn lại. Các kính phân cực lưới dây (wire grid polarizer) là một ví dụ phổ biến về phân cực phản xạ, chúng bao gồm nhiều dây mỏng được sắp xếp song song với nhau. Ánh sáng bị phân cực dọc theo các dây này bị phản xạ, ngược lại ánh sáng bị phân cực vuông góc với các dây này được truyền đi. Các kính phân cực phản xạ khác sử dụng góc Brewster. Góc Brewster là một góc xác định của ánh sáng đến mà nhỏ hơn nó thì chỉ có ánh sáng phân cực s được phản xạ. Chùm tia phản xạ bị phân cực s và chùm tia truyền qua trở thành phân cực một phần p.

Kính phân cực lưỡng sắc hấp thụ một phân cực cụ thể của ánh sáng, và truyền

qua phần còn lại; các kính phân cực hạt nano hiện đại là các phân cực lưỡng sắc.

Các kính phân cực lưỡng chiết hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của chiết suất vào sự phân cực của ánh sáng. Các loại phân cực khác nhau sẽ khúc xạ ở các góc khác nhau và điều này có thể được sử dụng để chọn ra ánh sáng phân cực.

Đối với ánh sáng phân cực thẳng có cường độ I0, cường độ truyền qua một kính

phân cực lý tưởng, I, có thể được mô tả theo định luật Malus :

I = I0cos2

trong đó θ là góc giữa phương của phân cực thẳng và trục của kính phân cực. Chúng ta nên biết rằng trong các ứng dụng thực tế sự truyền qua theo trục song song không bao giờ đạt được100%, trong khi đối với các trục 90°, việc truyền qua cũng không bao giờ đạt chính xác 0%.

Bộ trễ sóng (wave plate): Trong khi các kính phân cực lựa chọn cho qua ánh sáng phân cực nhất định, và loại bỏ các ánh sáng phân cực khác, thì các bộ trễ sóng lý tưởng sẽ sửa đổi các phân cực hiện có mà không làm suy giảm, lệch hoặc dịch chuyển chùm tia tới. Chúng làm điều này bằng cách làm trễ (hoặc chậm) một thành phần phân cực đối với thành phần trực giao của nó.

Hình 2.7. Ứng dụng của bộ trễ phần tư bước sóng để chuyển đổi phân cực thẳng thành phân cực tròn và ngược lại

Các bộ trễ sóng (Quarter-wave plate – Bộ trễ phần tư bước sóng và Half-wave plate – Bộ trễ nửa bước sóng) được chọn chính xác có thể chuyển đổi bất kỳ trạng thái phân cực nào sang trạng thái phân cực mới và thường được sử dụng để quay phân cực tuyến tính, để chuyển đổi ánh sáng phân cực tuyến tính sang ánh sáng phân cực tròn hoặc ngược lại.

4. Xác định sự phân cực của laser bán dẫn GaAs.

Hình 2.8. Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Laser bán dẫn GaAs T : Thước đo góc

A : Bộ điều chỉnh dòng điện QD : Cảm biến quang điện

N : Nguồn 5v BD : Bộ đo công suất

P : Tấm phân cực G : Giá quang học

Thiết bị thí nghiệm gồm một diot laser GaAs phát chùm tia màu đỏ chiếu vuông góc vào tâm của mặt tấm phân cực. Một đĩa chia độ được chia độ từ 0 đến 360o được

gắn với tấm phân cực. Dùng để đo góc quay  giữa phương của vectơ sóng truyền

tới bản cực và quang trục của bản phân cực. Để khảo sát sự thay đổi cường độ của tia laser sau khi truyền qua tấm phân cực ta dùng một cảm biến quang điện QĐ đặt bên trong một ống che sáng. Tia laser truyền qua bản kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang điện QĐ được đưa vào bộ đo công suất BD. Toàn bộ thiết bị thí nghiệm đặt trên một giá quang học G.

Nguồn laser

Tấm phân cực

Thước đo góc

Giá quang học Cảm biến quang điện

Bộ đo công suất

Hình 2.8. Hình ảnh sơ đồ bố trí thí nghiệm

Bước 1 : Chiếu tia laser có cường độ dòng nuôi phù hợp về phía tấm phân cực gắn trên đĩa chia độ. Điều chỉnh cho đĩa chia độ ở 0o. Tia laser sau khi qua tấm phân cực sẽ tới cảm biến quang điện. Đọc chỉ số cường độ sáng trên bộ đo công suất và ghi vào bảng 2-1.

Bước 2 : Tiếp tục quay tấm phân cực để thay đổi góc  (mỗi lần tăng 10o) từ 0o đến 360o. Đọc và ghi giá trị tương ứng của góc quay và cường độ sáng trong mỗi lần đo vào bảng 2-1.

Dựa vào những giá trị đo được của cường độ sáng I và góc quay tương ứng ở bảng 2-1, vẽ đồ thị I = f(). Từ đồ thị xác định góc quay có cường độ sáng lớn nhất Imax và nhỏ nhất Imin từ đó xác định được mặt phẳng phân cực của chùm laser.

5. Đo sự thay đổi của công suất phát laser GaAs theo dòng nuôi

Sau khi xác định được mặt phẳng phân cực trong thí ngiệm xác định độ phân cực của laser, thiết lập tấm phân cực ở vị trí góc có công suất lớn nhất khi đó độ sáng là lớn nhất. Tiến hành thí nghiệm bằng cách thay đổi dòng điện cung cấp cho nguồn laser và đo sự thay đổi của công suất phát laser bằng cảm biến quang điện.

Điều chỉnh dòng điện từ giá trị nhỏ nhất Imin đến giá trị lớn nhất Imax với bước

I = 10 mA.

Đọc giá trị đo được của dòng điện và công suất thay đổi tương ứng trên bộ đo

công suất ghi vào bảng 2-2

Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của dòng điện nuôi nguồn laser và công suất

thay đổi tương ứng.

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI II

Tên sinh viên thí nghiệm : Lớp : Ngày thí nghiệm : Người hướng dẫn : Đánh giá:

SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

1. Xác định tính chất phân cực của laser bán dẫn GaAs

Bảng số liệu 2-1

(o độ) (o độ) (o độ) P (mW) P (mW) P (mW)

0o(360o) 120o 240o

10o 130o 250o

20o 140o 260o

30o 150o 270o

40o 160o 280o

50o 170o 290o

60o 180o 300o

70o 190o 310o

80o 200o 320o

90o 210o 330o

100o 220o 340o

110o 230o 350o

Vẽ đồ thị P = f ()

Xác định mặt phẳng phân cực của tia laser và vẽ đồ thị trên hình 2.10:

Hình 2.10 Đồ thị biểu diễn sự phân cực của laser

Kết luận: Từ phân tích đồ thị trên ta thấy rằng nguồn laser được sử dụng trong thí nghiệm là nguồn phát ánh sáng phân cực …………

2. Đo sự thay đổi của công suất phát laser GaAs theo dòng nuôi

Bảng số liệu 2-2

I(mA) P (mW) I(mA) P (mW)

40 90

50 100

60 110

70 120

80 130

Hình 2.11. Đồ thị quan hệ giữa dòng nuôi và công suất phát của laser GaAs

Nhận xét: Mối quan hệ giữa nguồn nuôi và công xuất phát:

Bài III

ĐO KÍCH THƯỚC CHI TIẾT NHỎ BẰNG NHIỄU XẠ TIA LASER

Mục đích: Sinh viên hiểu được cách đo các chi tiết có kích thước rất nhỏ khoảng

từ vài chục m trở xuống như các dây dẫn, chi tiết nhỏ, độ rộng của vạch trên

thước quang… bằng hiện tượng nhiễu xạ tia laser.

Thiết bị thí nghiệm :

• Nguồn laser GaAs bước sóng 650 nm, P=1 mW

• Chi tiết đo là độ lớn của các vạch trên thước quang học dùng trong máy CNC: thước quang học là tấm kính mỏng trong suốt với những đường kẻ song song cách đều nhau trên đó. Khoảng cách d giữa hai vạch đen được gọi là chu kỳ. Độ rộng của

mỗi vạch là

a, b,

Hình 3.1. Ảnh thước quang a, ảnh phóng đại (450X) các vạch trên thước quang

• Thước đo dịch chuyển có phạm vi đo 050 mm độ phân giải 0,01mm

• Màn chắn

Nội dung thí nghiệm :

- Tìm hiểu nguyên lý của hiện tượng nhiễu xạ của chùm laser chiếu qua một cách

tử nhiễu xạ phẳng.

- Đo kích thước các vạch khắc có độ rộng 10m trên thước quang học CNC.

Trình tự thí nghiệm:

Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi ta chiếu một chùm tia laser vào một dây hoặc

một vật nhỏ có kích thước d có độ lớn gần với bước sóng ánh sáng laser.

Phân bố

Cường độ

sáng

theo x

Hình 3.2 Hiện tượng nhiễu xạ

Khi đó ta sẽ hứng được trên màn ảnh ở khoảng cách L các điểm sáng nhiễu

xạ có phân bố năng lượng như trên hình 3.1

Nếu góc  là rất nhỏ nên tan sin. Do đó x/L=n/d 

Trong đó: L là khoảng cách của màn ảnh đến vật

x là khoảng cách trên màn ảnh từ vệt sáng trung tâm đến các vân

sáng thứ cấp khi n= 1,2,3,4...

Thấu kính CCD

Dây

Xử lý tín hiệu

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý đo theo nhiễu xạ

Ảnh nhiễu xạ trên CCD

Trên hình 3.3 là sơ đồ nguyên lý đo của thiết bị đo nhiễu xạ đo đường kính

dây nhỏ. Khả năng đo của phương pháp này đo được đường kính dây đến 0,25m

với sai số đạt đến 5%.

1. Đo kích thước các vạch khắc có độ rộng 10m trên thước quang học CNC

Hình 3.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm

L: Laser bán dẫn GaAs M : Màn chắn

Q : Thước khắc vạch G : Giá quang học

T : Thước đo khoảng cách

Thiết bị thí nghiệm gồm một diot laser GaAs phát chùm tia màu đỏ chiếu vuông góc vào tâm của mặt thước quang khắc vạch sao cho tia laser nằm trên vạch của thước quang. Khi đó sẽ đồng thời xảy ra hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng gây ra bởi mỗi khe hẹp và hiện tượng giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ các khe hẹp truyền tới. Màn ảnh hứng các điểm nhiễu xạ phân bố năng lượng cách thước quang một khoảng L= 300mm. Màn ảnh được gắn trên thước đo dịch chuyển D để đo khoảng cách của các phân bố năng lượng nhiễu xạ x.

Hình 3.5. Ảnh các vân sáng trên màn ảnh

Trên hình 3.5 là ảnh các vân sáng thu được trên màn ảnh, phần tô đen trên hình là biểu thị vân sáng. Tiến hành đo khoảng cách từ vân trung tâm đến các vân thứ cấp và ghi kết quả vào bảng 3.1

Sau khi đo đạc và chi kết quả vào bảng 3.1, tính toán độ rộng trung bình của

vạch khắc trên thước quang bằng công thức :

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI III

SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

Bảng 3.1

-1 0 1 Lần đo

̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑇ọ𝑎 độ

Khoảng cách trung bình

𝑥𝑡+𝑥𝑝 2

Khoảng cách trung bình 𝑥̅ = =

Chu kỳ của các vạch trên thước quang với bậc nhiễu xạ thứ nhất n=1:

𝑑̅ =  𝑥̅ 𝐿 =

Độ rộng trung bình của vạch trên thước quang:

Bài IV

ĐO DỊCH CHUYỂN NHỎ VÀ BƯỚC SÓNG CỦA NGUỒN LASER BẰNG GIAO THOA KẾ MICHELSON

Mục đích: Sinh viên hiểu được phương pháp đo dịch chuyển chính xác bằng giao thoa kế Michelson và phương pháp đo bước sóng ánh sáng đơn sắc trên giao thoa kế Michelson.

Thiết bị thí nghiệm :

• Bàn quang học Thorlab B1218FE và 4 chân cao su giảm chấn RDF1.

• Nguồn laser diode bước sóng  = 532 nm, công suất P=0,9 mW và nguồn 1

chiều 5V LDS5.

• Bộ vi dịch chuyển Thorlab SM1ZP(/M)

• Gá gương KM100 và gương phản xạ PF10-03-P01

• Gá thấu kính LMR1(/M) và thấu kính 2 mặt cầu lồi đường kính 25,4 mm, tiêu

cự f = 50 mm.

• Bộ chia chùm không phân cực dạng khối lập phương BS.

• Gá trục vạn năng UPH30/M và trục gá TR40/M.

• Màn chắn M. Nội dung thí nghiệm :

Đo dịch chuyển nhỏ.

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của giao thoa kế laser Michelson - - Đo bước sóng của nguồn laser

Trình tự thí nghiệm :

1. Nguyên lý của giao thoa kế laser.

Hiện tượng giao thoa xảy ra khi hai hay nhiều sóng ánh sáng có khả năng kết hợp chồng lấp lên nhau, hay nói một cách khác các sóng ánh sáng xuất phát từ hai nguồn sáng có cùng bước sóng. Thông thường người ta sử dụng hai sóng được tách từ cùng một nguồn phát.

Nếu nguồn sáng laser có góc mở rất nhỏ thì có thể coi bề mặt sóng của chùm tia là phẳng và sự giao thoa trong trường hợp này là sự giao thoa của hai sóng phẳng. Nếu nguồn là phân kỳ thì bề mặt sóng là cầu và chúng ta có giao thoa của 2 sóng cầu.

Bộ chia chùm CCM1-BS013

Màn chắn M

Nguồn laser diode

Gương động Gđ lắp trên bộ vi dịch chuyển Thorlab SM1ZP(/M)

Gương tĩnh Gt

Thấu kính phân kỳ

Hình 4.1 thể hiện hệ giao thoa laser Micheson, nguồn laser phát ra chùm sóng phẳng, sau khi đi qua thấu kính phân kỳ sẽ trở thành sóng cầu đi tới bộ chia chùm BS. Tại đây ánh sáng laser bị tách ra làm 2 sóng, 1 sóng đi xuyên qua bộ chia chùm đến gương động và 1 sóng bị khúc xạ 90o để đi đến gương tĩnh. Tại 2 gương này laser đều bị phản trở lại BS, với sóng phản xạ từ gương tĩnh đến bộ chia chùm thì bị tách ra làm 2 chùm, 1 chùm đi xuyên qua BS đến màn chắn và 1 chùm khúc xạ 90o đi về nguồn và ta không xét chùm tia này nữa. Ánh sáng laser phản xạ từ gương động đến BS cũng bị tách ra làm hai, 1 chùm đi xuyên qua BS về nguồn và cũng không xét thêm tia này nữa, 1 chùm khúc xạ hướng đến màn chắn. Như vậy theo hướng từ bộ chia chùm BS đến màn chắn có 2 chùm tia xuất phát từ nguồn laser và chồng lấp lên nhau nên chúng sẽ giao thoa với nhau, và chúng ta sẽ nhìn thấy các vân giao thoa trên màn chắn M

Hình 4.1. Hệ giao thoa kế Michelson

2. Cách setup hệ giao thoa Michelson

Để thiết lập hệ giao thoa kế Michelson, sinh viên phải làm theo những bước sau đây :

1. Đặt nguồn laser và gương động lên bàn quang học như hình 4.2, kẹp chặt

bằng các vít M6. Điều chỉnh nghiêng nguồn laser sao cho chùm tia phản xạ từ gương trở về đúng vị trí xuất phát của nguồn laser. Nên điều chỉnh nguồn sao cho chùm laser đến gương nằm ở tâm của gương.

Hình 4.2. Nguồn laser và gương động

2. Đặt bộ chia chùm BS và màn chắn M lên bàn quang học vào các vị trí như trong hình 4.3. Đảm bảo rằng BS vuông góc với chùm tia laser từ nguồn. Chúng ta có thể làm được điều này bằng cách chỉnh BS sao cho chùm phản xạ thứ 2 trùng với chùm phản xạ thứ nhất.

Hình 4.3. Đặt bộ chia chùm vào giữa nguồn và gương động

3. Tiếp theo, đặt gương tĩnh vuông góc với chùm khúc xạ từ BS như hình 4.4. Làm sao đảm bảo rằng khoảng cách giữa gương tĩnh và gương động đến bộ chia chùm là bằng nhau

Hình 4.4. Đặt gương tĩnh vào hệ giao thoa

4. Bây giờ chúng ta có thể nhìn thấy 2 chùm tia thành phần trên màn chắn. Chỉnh

nghiêng gương tĩnh sao cho 2 tia này trùng nhau.

5. Cuối cùng, đặt thấu kính vào giữa nguồn và bộ chia chùm. Bây giờ chúng ta có thể nhìn thấy vân giao thoa trên màn, nếu không có vân thì phải điều chỉnh vít trên gương tĩnh.

Hình 4.5. Đặt thấu kính vào để hình thành các vân tròn

7. Phụ thuộc vào vị trí của thấu kính mà ta có thể nhìn thấy được vân thẳng hay vân tròn. Các vân thẳng được tạo ra bằng cách đặt thấu kính giữa bộ chia chùm và màn như hình 4.6.

Hình 4.6. Vị trí của thấu kính để hình thành vân thẳng

Hình 4.7. Mẫu vân thẳng được tạo ra bởi vị trí của thấu kính như trong hình 4.6

3. Các bước thí nghiệm : 3.1. Đo dịch chuyển nhỏ

Xoay từ từ vít vi chỉnh trên bộ vi dịch chuyển SM1ZP để dịch chuyển gương động, đồng thời quan sát sự thay đổi vân trên màn chắn. Đếm sự thay đổi này bằng mắt hoặc bằng cảm biến kết nối với oscilloscope (nếu có), khi vân thay đổi từ vân sáng sang vân tối rồi trở lại vân sáng thì tính là 1 lần thay đổi vân. Một lần thay đổi vân tương ứng với gương động dịch đi một khoảng /2 = 266 nm. Lặp lại 5 lần và ghi số liệu vào bảng 4.1. Để kiểm tra độ chính xác của phép đo dịch chuyển nhỏ này, chúng ta so sánh

với kết quả đọc trên bộ vi dịch chuyển SM1ZP. Trên 1 vòng tang trống của bộ vi dịch chuyển Thorlab có 50 vạch (hình 4.8), mỗi vạch tương ứng với 1 µm. Chúng ta đọc vạch khi bắt đầu dịch chuyển và sau khi kết thúc dịch chuyển, từ đó sẽ suy ra được khoảng dịch chuyển (nếu quay quá 1 vòng thì phải cộng thêm 50 µm).

Hình 4.8. Bộ vi dịch chuyển Thorlab SM1ZP

3.2. Đo bước sóng của nguồn laser

Đo bước sóng của nguồn phát là quá trình ngược lại của việc đo dịch chuyển nhỏ, khi ta biết được chính xác dịch chuyển của gương động là bao nhiêu thì có thể tính ngược lại bước sóng của nguồn. Giả sử ta đếm được trên màn là N lần thay đổi vân khi dịch gương động đi 1 khoảng s thì bước sóng  được tính theo công thức : N./2 = s   = 2.s/N

Ghi chú : Để đảm bảo an toàn cho mọi người và dụng cụ thí nghiêm, sinh viên làm thí nghiệm không được phép nhìn trực tiếp hoặc nhìn chăm chú vào nguồn laser và không được sờ vào bề mặt làm việc của các dụng cụ quang học như mặt gương, thấu kính, bộ chia chùm…

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI IV

SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

Bảng 4.1. Kết quả đo dịch chuyển nhỏ

Lần

Số lần thay đổi vân, N Chỉ số đầu trên bộ vi dịch chuyển Chỉ số cuối trên bộ vi dịch chuyển Khoảng dịch chuyển tính theo sự thay đổi vân (µm) s = N./2

Bảng 4.2. Kết quả đo bước sóng của nguồn laser

Lần

Số lần thay đổi vân, N Chỉ số đầu trên bộ vi dịch chuyển Chỉ số cuối trên bộ vi dịch chuyển Khoảng dịch chuyển s trên bộ vi dịch chuyển SM1ZP Bước sóng  của nguồn laser

Trung bình

Bài V

ĐO HỆ SỐ GIÃN NỠ NHIỆT CỦA THANH NHÔM

Mục đích: Sinh viên hiểu được phương pháp đo hệ số giãn nỡ nhiệt của 1 loại vật liệu nào đó bằng giao thoa kế Michelson

Thiết bị thí nghiệm :

• Bàn quang học Thorlab B1218FE và 4 chân cao su giảm chấn RDF1.

• Nguồn laser diode bước sóng  = 532 nm, công suất P=0,9 mW và nguồn 1

chiều 5V LDS5.

• Trục nhôm cần đo hệ số giãn nở nhiệt

• Gá gương KM100 và gương phản xạ PF10-03-P01

• Gá thấu kính LMR1(/M) và thấu kính 2 mặt cầu lồi đường kính 25,4 mm, tiêu

cự f = 50 mm.

• Bộ chia chùm không phân cực dạng khối lập phương BS.

• Trục gá vạn năng.

• Nhiệt kế để đo sự thay đổi nhiệt độ của trụ nhôm

• Màn chắn M. Nội dung thí nghiệm :

- Tìm hiểu phương pháp đo hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu bằng giao thoa kế

laser Michelson Trình tự thí nghiệm :

- Thiết lập hệ thí nghiệm giống như đo dịch chuyển nhỏ ở bài IV, chỉ khác là thay chỗ gá gương động và bộ vi dịch chuyển bằng thanh nhôm cần đo hệ số giãn nở nhiệt như hình 5.1. 1 đầu gá lên trục gá vạn năng, đầu còn lại gá gương phản xạ toàn phần.

Hình 5.1. Vị trí và cách lắp thanh nhôm thay thế vị trí của gương động

- Dán tấm nhiệt điện trở (màu vàng như trong hình 5.1) lên trục nhôm. Tấm nhiệt điện trở này có 4 dây ra, 2 dây là nối với nguồn điện 1 chiều 12v để nung nóng, 2 dây còn lại là dây tín hiệu để đo nhiệt độ.

Đầu đo

- Cắm đầu đo của nhiệt kế vào lỗ trên đầu gá vào trục gá vạn năng để đo nhiệt độ hiện tại của thanh nhôm. Sau đó, nối vào nguồn điện 1 chiều để gia nhiệt cho thanh nhôm.

Hình 5.2. Nhiệt kế để đo nhiệt độ của trục nhôm

- Khi thanh nhôm tăng nhiệt độ, nó sẽ bị giãn ra, bởi vì 1 đầu bị kẹp vào trục gá vạn năng nên trục nhôm sẽ bị giãn về phía lắp gương. Do đó nó làm gương dịch chuyển và các vân quan sát được trên màn sẽ thay đổi. Một người đọc sự thay đổi nhiệt độ của thanh nhôm, một người đếm số lần dịch vân trên màn chắn (chú ý 1 lần dịch vân là khi vân nào đó chuyển từ sáng sang tối và trở về sáng). Ghi các số liệu này vào bảng 5.1.

Xác định hệ số giãn nở nhiệt của trục nhôm:

- Sự giản nở nhiệt của trục nhôm phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt  của nó: α = . với L là chiều dài của trục nhôm và dL/dT là tốc độ thay đổi chiều dài theo L biến thiên theo nhiệt độ. Nghiệm của phương trình trên là L = Lo . exp(.T).

) ta có

𝑁 𝜆 2 𝐿𝑜 Δ𝑇

Áp dụng khai triển Taylor cho hàm e mũ ( xấp xỉ bậc 1 như sau: L = Lo (1 + .T) với T là sự thay đổi nhiệt độ của thanh nhôm. Suy ra  = L/(Lo . T). L là sự giản nở nhiệt của thanh nhôm hay chính là sự dịch chuyển của gương gắn trên nó nên ta có thể tính như trong bài IV là L = N. /2. Vậy α =

Lo là chiều dài ban đầu của thanh nhôm là 90 mm

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI V

SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

Bảng 5.1. Kết quả đo hệ số giãn nở nhiệt

Nhiệt độ bắt đầu Nhiệt độ kết thúc Tổng số lần dịch vân N Chiều dài trục nhôm tính được Hệ số giãn nở nhiệt 

Chiều dài Thanh nhôm

Sự tăng nhiệt độ (oC)

Hình 5.3. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi chiều dài của thanh nhôm theo sự tăng nhiệt độ

Bài VI

ĐO CHIẾT SUẤT CỦA VẬT LIỆU THỦY TINH

Mục đích: Sinh viên hiểu được phương pháp đo hệ chiết suất của các vật liệu trong suốt bằng giao thoa kế Michelson

Thiết bị thí nghiệm :

• Bàn quang học Thorlab B1218FE và 4 chân cao su giảm chấn RDF1.

• Nguồn laser diode bước sóng  = 532 nm, công suất P=0,9 mW và nguồn 1

chiều 5V LDS5.

• Gá gương KM100 và gương phản xạ PF10-03-P01

• Gá thấu kính LMR1(/M) và thấu kính 2 mặt cầu lồi đường kính 25,4 mm, tiêu

cự f = 50 mm.

• Bộ chia chùm không phân cực dạng khối lập phương BS.

• Tấm thủy tinh cần đo chiết suất

• Trục gá vạn năng.

• Màn chắn M. Nội dung thí nghiệm :

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của giao thoa kế laser Michelson - Đo chiết suất của tấm thủy tinh

Trình tự thí nghiệm :

- Thiết lập hệ thí nghiệm giống như bài IV. Đặt tấm thủy tinh cần đo chiết suất lên đầu phân độ, rồi sau đó đặt cả cụm này vào 1 nhánh của giao thoa kế Michelson sao cho tia laser đi vuông góc qua tấm thủy tinh (hình 6.1).

- Xoay vít dịch chuyển trên đầu phân độ để nghiêng tấm thủy tinh đi 1 góc .

Vít dịch chuyển Vạch trùng

Hình 6.1. Đặt tấm thủy tinh cần đo chiết suất vào 1 nhánh của giao thoa kế Michelson

- Đồng thời với quá trình xoay tấm thủy tinh, người đo phải đếm sự thay đổi vân trên màn. Sự dịch vân này là do quãng đường đi của ánh sáng đã bị thay đổi do sự khúc xạ của chùm laser qua tấm thủy tinh như thể hiện trong hình 6.2.

Hình 6.2. Sự khúc xạ của laser qua tấm thủy tinh phẳng khi nó bị xoay góc .

Tính toán chiết suất của tấm thủy tinh

(6.1)

- Khi tấm thủy tinh quay 1 góc  và đếm được N lần dịch vân (sáng-tối- sáng) thì chiết suất n được tính như sau:

- Công thức tính n được thiết lập dựa vào hình vẽ 6.2 và các ký hiệu góc khúc xạ , các đoạn L1, e, t, w, f, g, h, L2 trên hình như sau:

Từ hình 6.2a ta có:

Tương tự, nhìn vào hình 6.2b ta suy ra:

𝑒

ở đây, ta lưu ý mối quan hệ e = t. tan 

𝑡𝑎𝑛 𝛼

𝑒

Trong hình 6.2c ta có: g = t – f = t -