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GOP1 TP n°12 SYSTÈME ANALYSEUR DE sti. · PDF fileSYSTÈME ANALYSEUR DE FAISCEAU LASER U51. ANALYSE FONCTIONNELLE DU SYSTÈME ... Evolution du rayon de mode le long de l’axe: Du

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  • GOP1 TP n12

    U51 - S.T.S Gnie Optique Photonique Lyce Jean Mermoz 68300 SAINT-LOUIS1/13

    SSYYSSTTMMEE AANNAALLYYSSEEUURR DDEE FFAAIISSCCEEAAUU LLAASSEERR

    UU5511.. AANNAALLYYSSEE FFOONNCCTTIIOONNNNEELLLLEE DDUUSSYYSSTTMMEE

    1.1. lments votre disposition

    1.1.1. MatrielVoir cadre 1.

    1.1.2. LogicielsVoir cadre 2.

    1.1.3. DocumentationVoir cadre 4.

    1.2. But de la manipulationOn dsire caractriser nergtiquement et gomtriquement : le faisceau issu dun laser He-Ne (25 LHR 121 sur doc : http://www.rapi-

    tech.com/upload/pur/10/10-f221.pdf ) le faisceau issu dun filtre spatial (lment associant un objectif de

    microscope et un trou (stnop ou pinhole) ; voir exemple :http://www.newport.com/store/genproduct.aspx?id=141078&lang=1036&Section=Detail et http://www.newport.com/store/product.aspx?id=3873 )

    le faisceau focalis par une lentille rfractive

    On devra faire 2 sortes danalyses : Une analyse transversale (dans un plan perpendiculaire

    la direction de propagation du faisceau) qui caract-rise lvolution de lintensit (densit de puissance) enfonction de lloignement du point par rapport laxe.Cette analyse permet de vrifier la nature gaussiennedu faisceau et de mesurer le rayon de mode w dfini 1/e2.

    Une analyse longitudinale qui permet de suivrelvolution du rayon de mode w, de dterminer la posi-tion et la taille 2w0 du waist et de mesurer la divergencedu faisceau ou son ouverture numrique.

    Les systmes danalyse de faisceaux se trouvent dcrits parexemple dans la documentation :http://www.mellesgriot.com/pdf/catalogx/x_40_4-6.pdf

    Voir schma cadre 3 le type de rsultats obtenus laide deces systmes. Leurs principes de fonctionnement et les avan-tages compars des diffrents systmes vont tre tudis parla suite

    1.3. Dfinition dun faisceau gaussien et caractrisation.Voir le document :http://www.phys.ens.fr/~desbioll/enseignement/licencebio/cours2_gaussem.pdf#search=%22CONJUGAISON%20FAISCEAUX%20GAUSSIENS%22

    a) Dfinition du diamtre de mode :Un faisceau est dit gaussien si son profil nergtique transversal est du type dune fonction de rpartition deGauss (loi normale) (voir cadre 5).Le faisceau gaussien est caractris par une rpartition non uniforme de lintensit lumineuse (ou densit sur-

    Liste du matrielLaser He-Ne LHR 121Systme d'injection et Fibre monomodeFiltre spatialFiltres de densit ou Densit variableMiroirs plansCamra CCDPlatines y et z motorisesPuissancemtre LabmasterMicro-ordinateurCarte dimagerieMatrox Meteor II (si camra nonUSB)Carte de pilotage des moteursImprimante

    cadre 1. Liste des logicielsExcelVisuImLabViewGauss

    cadre 2.

    cadre 3 : Mesure de la divergence du faisceaulaser : vues 2D et 3D de la distribution ner-gtique du faisceau

    Liste de la documentationDossier technique

    cadre 4.

    http://www.rapi-tech.com/upload/pur/10/10-f221.pdfhttp://www.rapi-tech.com/upload/pur/10/10-f221.pdfhttp://www.newport.com/store/genproduct.aspx?id=141078&lang=1036&Section=Detailhttp://www.newport.com/store/product.aspx?id=3873http://www.mellesgriot.com/pdf/catalogx/x_40_4-6.pdfhttp://www.phys.ens.fr/~desbioll/enseignement/licencebio/cours2_gaussem.pdf#search=%22CONJUGAISON%20FAISCEAUX%20GAUSSIENS%22http://www.phys.ens.fr/~desbioll/enseignement/licencebio/cours2_gaussem.pdf#search=%22CONJUGAISON%20FAISCEAUX%20GAUSSIENS%22

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    facique de puissance) dans un plan perpendiculaire la direction de propagation du faisceau.Dans un plan donn, lintensit est maximale sur laxe et diminue en fonction de la distance r du point consi-dr laxe selon la loi :

    I Ir

    w=

    -0

    2

    2

    2* exp( )

    A laide du logiciel Excel, simuler la fonctiongaussienne suivante (pour r variant entre -10 et10 ; les units sont arbitraires) :

    I er

    =-

    502 2

    36.

    On appelle diamtre de mode 2w dun faisceaugaussien, la distance entre les 2 points pour les-

    quels : 20

    eI

    I = .

    Faire apparatre 2w sur le graphe. Comparer lavaleur de w figurant dans lquation.

    b) Evolution du rayon de mode le long de laxe :

    Du fait de la diffraction, le faisceau slargit lorsquelon sloigne du waist (endroit o le faisceau est leplus troit ; le rayon vaut alors w0) de la source. Lavariation de w, en fonction de la distance z par rap-port au waist, est donne par:

    +=

    2

    R0 z

    z1ww avecl

    p=

    20

    Rw

    z , distance de Rayleigh. Cette distance est caractristique du faisceau : si

    on se place une distance du waist faible par rapport zR , on dit que lon est en champ proche, si on se place une distance du waist grande par rapport zR , on dit que lon est en champ lointain.

    Que devient lexpression de w lorsque z est trs suprieur zR ? Montrer quen se plaant en champ lointain(lorsque z est trs suprieur zR), le faisceau peut tre considr comme conique de demi-angle douverture :

    cadre 5 :Rpartition gaussienne de lintensit, dfinition 1/e2 et volution du rayon de mode w enfonction de lloignement z par rapport au waist.

    Faisceau divergent ou focalis.

    q1/2

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    02/1 pw

    l=q . On caractrise la divergence du faisceau soit par ce demi-angle, soit par langle total

    0t

    2pwl

    =q

    (dans les documents techniques cest cet angle qui est donn).Lancer le fichier Excel 12_gauss.xls. Imprimer le graphe w = f(z) pour w = 0.29 mm et noter sur le graphe les va-leurs de la divergence et la distance de Rayleigh

    c) Analyse laide dun systme occultantLancer le fichier Excel CouteauFresnel en activant les macros. Choisir un profil gaussien et actionner le cou-teau suivant y. Le faisceau vous parait-il centr sur (0,0) ? Activer le calcul de la drive.

    Sur quelle valeur de y la courbe est-elle centre ?En pointant les points de la courbe drive calculer la largeur 13,6 % du maximum et retrouver la valeur de w.

    d) Simulation dun faisceau focalis1) Etude du filtre spatial sous Winlens :Charger le logiciel Winlens et ouvrir le fichier GAUSS1Ce fichier simule la situation suivante : un laser rouge He-Ne met un faisceau de longueur donde :632,8 nm et de divergence : 1,35 mrad. On retrouve ces valeurs dans le module FAISCEAU GAUSSIENdans longlet INITIAL DATA

    Dans les paramtres et les donnes de lditeur, on place le waist du laser 800 mm devant un objectif de mi-croscope (simul par la lentille 312010) de grandissement 20 fois.

    Imprimer le fichier. Il sagit didentifier certains paramtres simuls en flchant sur la feuille imprime les valeursdes paramtres suivants :Dans le module Paraxial values at mid wave :

    - la distance focale de la lentille ;- la position du foyer image par rapport la face de sortie

    Dans le module Gaussian Beam :- la position du waist objet et son diamtre ;- la distance de Rayleigh du faisceau incident ;- le diamtre du faisceau lentre et la sortie de la lentille ;- la position du waist image par rapport la face de sortie et son diamtre ;- la divergence du faisceau image.

    Comparer le diamtre du waist image obtenu par simulation celui du trou install sur le filtre spatial (15m).Consulter galement le document technique.

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    2) Etude du faisceau focalis par une lentille claire par un faisceau issu du filtre spatial.

    Charger le logiciel Winlens et ouvrir le fichier GAUSS2Ce fichier reprend la situation prcdente ; on place maintenant une lentille de focale 100 mm une distancede 175 mm aprs le pinhole du filtre spatial.

    Imprimer le fichier. Il sagit didentifier certains paramtres simuls en flchant sur la feuille imprime les valeursdes paramtres suivants :Dans le module Editor :

    - la rfrence de la nouvelle lentille- la distance entre les 2 lentilles

    Dans le module Gaussian Beam :- le diamtre du faisceau lentre et la sortie de la nouvelle lentille- la position du waist image par rapport la face de sortie et son diamtre ;- la distance de Rayleigh et la divergence du faisceau mergeant

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    2.1. lments votre disposition

    2.1.1. MatrielVoir cadre 1.

    2.1.2. LogicielsVoir cadre 2.

    2.1.3. DocumentationVoir cadre 4.

    2.2. Travail demand

    2.2.1. tude du faisceau mis par lelaser He-Ne LHR 121

    Placer le laser He-Ne LHR 121 une ex-trmit du marbre. A laide de miroirs oneffectuera plusieurs allers-retours dufaisceau sur le marbre afin de lui laisserle temps de diverger (choisir des miroirsplans de bonne qualit).

    A une distance d1 trs grande (sup-rieure 4 m de la fentre de sortie dulaser), placer transversalement au fais-ceau, un cran muni dune feuille blan-che.

    Placer la camra CCD munie dun objec-tif. On intercale entre lobjectif et la ca-mra une bague allonge qui permet davoir une image agrandie de la tache.

    Ouvrir le logiciel VisuIm dont le raccourci est dpos sur le bureau. Slectionner le numriseur sous Numriseur/Slectionner Numriseur. Soit : Camra USB ou Matrox

    Meteor II si votre camra nest pas USB. Se mettre en acquisition permanente par Numriseur/Acq. permanente. Limage live doit apparatre

    dans le moniteur. Couper le faisceau laser. Placer une rgle gradue sur lcran. Faire la mise au point de lobjectif (Les graduations de la rgle doivent apparatre nettes). Rgler le temps

    dexposition du CCD en tournant la molette colle sur la camra (ou place larrire) Optimiser la position d

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