XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Проектирование ванадатных лазеров на гармониках для целей цифровой микроскопии
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Применение лазеров в качестве в качестве источников света для структурного анализа материалов позволяет получить световое пятно (световой зонд) малого диаметра, соизмеримого с длиной волны излучения лазера, и тем самым исследовать весьма малые участки и тонкие структуры. Кроме того, большая спектральная плотность лазерного излучения даёт возможность существенно увеличить чувствительность приборов и работать на различных длинах волн, в том числе и в средней части ИК – диапазона, где обычные источники света не могут быть применимы из-за слабой интенсивности.
Поэтому проектирование компактных твёрдотельных лазеров с диодной накачкой на гармониках для целей цифровой микроскопии является актуальным.
В нашей работе были поставлены задачи:
Спроектировать и осуществить сборку и юстировку одномодового излучателя на кристалле ванадата на основной гармонике 1064 нм с накачкой двумя полупроводниковыми лазерными диодами с угловой расходимостью менее 1 миллирадиан.
Спроектировать осуществить сборку и юстировку ванадатного лазера с диодной накачкой на второй гармонике 532 нм с нелинейным удвоением частоты с помощью кристалла ниобата лития.
Исследовать оптические характеристики излучателей с применением ПЗС – камеры путём компьютерной обработки профиля пучка.
По результатам исследований разработать учебно-исследовательскую лабораторную работу «Многоцелевая лазерная микроскопия с цифровым анализом оптических изображений» для обучающихся профильных средних – средне-профессиональных и высших образовательных учреждений.
Основная часть
Проектирование ванадатного лазера с диодной накачкой на основной гармонике 1064 нм.
1.1. Функциональная схема.
Функциональная схема излучателя с накачкой двумя полупроводниковыми лазерными диодами представлена на рисунке 1.1.
Рис.1.1. Функциональная схема инфракрасного лазерного излучателя с диодной накачкой двумя диодами.
1,2 – четырёхваттные лазерные диоды накачки (700-800 нм);
3,4 – конденсоры;
5 – призма-куб;
6 – объектив;
7 – стабилизированный источник питания 5V;
8,10 – зеркала оптического резонатора;
9 – кристалл ванадата;
11 – двухкомпонентный телескоп для формирования геометрических параметров лазерного пучка.
Полупроводниковые лазерные диоды накачки (1,2) установлены в корпусе осветителя. Диоды питаются стабилизированным источником питания на 5V и имеют возможность в небольших пределах перемещаться относительно конденсоров (3,4). Излучение диодов накачки направляется конденсорами на призму-куб (5). Далее лазерный пучок фокусируется на активном элементе (9), который вместе с зеркалами (8, 10) установлен в корпусе резонатора. Одно зеркало (8) с коэффициентом отражения 0,98 для линии основной гармоники 1064 нм, второе (10) – полупрозрачное, с коэффициентом пропускания 40-60%. Корпуса осветителя и резонатора размещены на элементах Пельтье. Геометрические параметры излучения формируются с помощью двухкомпонентного телескопа (11)
1.2. Методика сборки и юстировки излучателя.
Для юстировки и сборки используется специальный стенд, на котором размещён вспомогательный юстировочный лазер, призма и экран с тонким отверстием. Вначале зелёный луч лазера 532 нм направляют строго вдоль оси стенда на одной и той же высоте и по нему ориентируют и закрепляют основание излучателя. Закрепляют на платформе корпуса осветителя и резонатора.
После этого юстируют оптические элементы осветителя, вначале определяют правильное положение призмы-куба, чтобы отражённый от него пучок попал в отверстие экрана, далее добиваются правильного креста от излучения лазерных диодов, устанавливают объектив, добиваются фокусировки излучения на активном элементе. Резонатор юстируют в такой последовательности: входное зеркало, активный элемент, выходное зеркало. В последнюю очередь производится юстировка телескопа.
Проектирование ванадатного лазера с диодной накачкой на второй гармонике 532 нм.
2.1. Функциональная схема.
Функциональная схема ванадатного лазерного излучателя с диодной накачкой и удвоением частоты представлена на рисунке 2.1.
Рис. 2.1. Функциональная схема лазерного излучателя на кристалле ванадата с накачкой двумя полупроводниковыми лазерными диодами и удвоением частоты.
1 – Корпус телескопа;
2 – Корпус резонатора;
3 – Корпус осветителя;
4 –Телескопическая система;
5 –Выходное зеркало резонатора;
6 –Нелинейный кристалл для удвоения частоты (ниобат лития);
7 –Активный элемент (кристалл ванадата 4*4*4мм);
8 –Входное зеркало резонатора;
9 –Объектив;
10 –Призма-куб;
11,12 – Конденсоры;
13,14 – Полупроводниковые лазерные диоды накачки;
15 – Стабилизированный источник питания 5V;
Конструктивно лазерный излучатель выполнен в комбинации корпуса телескопа (1), корпуса резонатора (2) и корпуса осветителя (3). Корпуса последних размещены на элементах Пельтье для стабилизации температуры активного элемента и лазерных диодов. В корпусе осветителя установлены два полупроводниковых лазерных диода (13,14), которые в небольших пределах могут перемещаться относительно конденсоров (11,12). Излучение обоих диодов с помощью призмы-куба (10) и объектива (9) фокусируется на кристалле ванадата с примесью неодима (4*4*4мм) в медной оправке, приклеенном к основанию корпуса резонатора. В корпусе резонатора установлены также зеркала в специальных оправках. Одно из них (8) – входное с коэффициентом отражения 0,98 для линии второй гармоники 532 нм, второе – выходное (5) с коэффициентом пропускания 0,4 – 0,6. Нелинейный кристалл ниобата лития (6) ориентирован вдоль оптической оси излучателя.
Для юстировки и сборки используется вспомогательный лазер 532 нм с блоком питания и призмой. Для цифрового анализа профиля пучка используется ПЗС-камера и компьютер.
2.2. Цифровое измерение оптических характеристик.
В работе исследовались оптические характеристики лазера с применением ПЗС-камеры и компьютера. Спектры излучения регистрировались на спектрофотометре с применением компьютерных технологий на оборудовании ООО «Лазер-Экспорт» по договору о содружестве.
Профиль лазерного пучка на выходе излучателя приведён на рисунке 2.2, характерный спектр излучения лазера приведён на рисунке 2.3.
Рис. 2.2. Профиль лазерного пучка на выходе лазера (λ=532нм).
Рис.2.3. Спектр излучения одночастотного лазера на ванадате с удвоением частоты (λ=532нм).
Анализ структуры лазерного пучка показывает, что диаметр пучка на выходе лазера ≈1,12мм.
Спектр излучения демонстрирует, что лазер генерирует одну продольную моду, т.е. является одночастотным. Выходная мощность лазера 20мВт. Степень горизонтальной поляризации 300:1, эллиптичность 0,96; уровень амплитуды шумов менее 0,5%.
Разработка учебно-исследовательской лабораторной работы «Многоцелевая лазерная микроскопия с цифровым анализом оптических изображений».
Цель работы: а) ознакомление с конструкцией и элементами просвечивающего ИК – лазерного микроскопа; б) изучение технической реализации лазерного интроскопа на нескольких длинах волн с возможностью визуализации и анализа люминесцентного излучения.
3.1. Общие правила лазерной безопасности при выполнении экспериментальных работ.
3.1.1. Принятие мер лазерной безопасности при выполнении экспериментальных работ зависит от класса опасности лазера. Лазеры по степени опасности генерируемого излучения подразделяются на четыре класса опасности:
1 класс – полностью безопасные лазеры;
2 класс – это лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз или кожи коллимированным пучком, диффузно-отражённое излучение (например, от стен) безопасно как для кожи, так и для глаз.
3 класс – лазеры, выходное излучение которых представляет собой опасность при облучении глаз не только коллимированным, но и диффузно-отражённым излучением.
4 класс – лазеры, диффузно-отражённое излучение которых представляет опасность для кожи и глаз на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.
3.1.2. В лазерной лаборатории лазерная безопасность обеспечивается коллективными средствами защиты (ограждение зоны действия лазерного пучка) или индивидуальными средствами (противолазерные очки).
3.1.3. К выполнению работ допускаются только обучающиеся, прошедшие инструктаж по «Правилам лазерной безопасности» и тщательно их соблюдающие.
3.1.4. Работы выполняются бригадами по 2-3 человека. В случае присутствия только одного члена бригады лабораторная работа не проводится.
3.1.5 Перед включением лабораторного стенда или установки необходимо:
– провести обзор рабочего места, убрать всё лишнее, мешающее нормальной работе;
– убедиться в исправности защитных блокировок и заземления;
– установить наличие противолазерных очков или светоограждения, если это требуется.
3.1.6. При проведении работ запрещается:
– работать на стенде одному человеку;
– облокачиваться на лабораторные стенды;
– оставлять без присмотра включённую установку;
– вносить в зону действия лазерного луча посторонние предметы, особенно зеркально отражающие.
3.1.7. Включение лабораторного стенда производится только с разрешения преподавателя.
3.1.8. При травме или другом несчастном случае с обучающимся надо немедленно отстранить его от работы, оказать первую медицинскую помощь, в случае необходимости вызвать “Скорую помощь” по телефону 03 или 112.
3.2. Краткие сведения из теории.
Применение лазеров в качестве источника света для структурного анализа материалов позволяет получать световое пятно (световой зонд) малого диаметра, соизмеримого с длиной волны излучения лазера, и тем самым исследовать весьма малые участки и тонкие структуры. Кроме того, большая спектральная плотность лазерного излучения даёт возможность существенно увеличить чувствительность приборов и работать на различных длинах волн, в том числе и в средней части ИК – диапазона, где обычные источники света не могут быть применены из-за слабой интенсивности. Использование в качестве системы регистрации цифровых камер, чувствительных в ближней ИК – области, а также компьютеров для обработки распределения наночастиц на оптических изображениях по заданным параметрам и по компьютерной программе, расширяет возможности исследования многих полупроводниковых материалов, непрозрачных в видимой области спектра.
Перед началом выполнения настоящей лабораторной работы необходимо ознакомиться с теоретическими положениями по лазерной микроскопии и интроскопии по литературе [1-8].
3.3. Описание экспериментальной установки.
Качество оптического изображения существенно зависит от качества оптических пучков лазеров. С целью оптимизации различных применений лазерных микроскопов в измерительной технике нами, в лазерной исследовательской лаборатории нашей школы, спроектирована линейка компактных лазеров с диодной накачкой с требуемыми характеристиками для целей лазерной микроскопии.
Функциональная схема лазерного микроскопа с просвечиванием объектов лазерным излучением на различных длинах волна и возможностью возбуждения фотолюминесценции приведена на рисунке 3.3.1.
Рис. 3.3.1.
твёрдотельный лазер с диодной накачкой 1064 нм;
лазер с диодной накачкой и удвоением частоты 532 нм;
фиолетовый лазер с диодной накачкой для возбуждения фотолюминесценции (режим «тёмного поля»);
стабилизированный источник питания 5V;
призма-куб;
поляризатор;
исследуемый объект;
телескопическая система;
набор нейтральных фильтров;
ПЗС-камера;
ноутбук;
Излучение лазеров (1-2) на требуемой длине волны 532 нм или 1064 нм дополнительно поляризуется поляризатором (6) с помощью призмы – куба и направляется на исследуемую структуру (7). Прошедшее с помощью телескопической системы с малой глубиной резкого изображения (8) излучение, после ослабления набором нейтральных фильтров (9), подаётся на фотомишень ПЗС – камеры (10) и на экране ноутбука (11) наблюдается видимая картина оптического изображения. Это режим «светлого» поля.
Режим «тёмного» поля осуществляется возбуждением фотолюминесценции фиолетовым лазером (3) перпендикулярно каналу наблюдения, и на ПЗС – камеру попадает только люминесцентное излучение люминесцирующих наночастиц.
Компьютерная программа выполняет цифровой анализ распределения наночастиц по размерам и плотности на оптическом изображении. Оптико-электронное увеличение лазерного микроскопа составляет 200-1200 крат. Разрешающая способность 2-3 мкм.
В работе спроектирован действующий макет лазерного люминесцентного микроскопа с использованием разработанных нами диодных лазеров на ванадате на второй (532 нм) и третьей (354 нм) гармониках в качестве основных лазеров-источников возбуждения люминесценции микробиологических структур.
Функциональная схема люминесцентного микроскопа приведена на рисунке 3.3.2.
Рис.3.3.2
– лазер на ванадате с диодной накачкой и удвоением (532 нм) или утроением (354 нм) частоты;
– стабилизированный блок питания 5V;
3. – поляризатор;
4. – конденсор;
5. – объектив;
6. – исследуемый объект;
7. – запирающий светофильтр;
8. – анализатор;
9. – двухкомпонентный телескоп (телескопическая система);
10. – ПЗС-камера;
11. – компьютер.
Излучение лазера на второй или третьей гармонике (1), питаемого стабилизированным источником 5V, дополнительно поляризуется поляризатором (3), коллимируется конденсором (4) и с помощью объектива (5) фокусируется на исследуемую микробиологическую структуру (6). Люминесцентное излучение, после анализа изменения поляризационных свойств пучка анализатором (8), с помощью телескопической системы (9) направляется на фотомишень ПЗС-камеры (10) и на экране компьютера (11) формируется видимое изображение люминесцирующих центров структуры.
Компьютерная программа проводит цифровой анализ распределения люминесцирующих наночастиц микробиологической структуры по различным параметрам: размерам, скорости и плотности наночастиц на оптическом изображении.
Запирающий светофильтр (7) отсекает возбуждающее излучение лазера (1) от попадания на ПЗС-камеру. Полезное оптико-электронное увеличение – 200-1200 крат, разрешающая способность – 2-5 мкм.
3.4. Порядок выполнения работы.
Задание 1. Настройка просвечивающего ИК-лазерного интроскопа.
Получить разъяснения от преподавателей об особенностях выполнения данного задания.
Включить питание стенда.
Включить блоки питания ИК-лазера и лазера на третьей гармонике.
Включить питание ПЗС-камеры и компьютера.
При регулировке лазерных излучателей с целью выбора оптимальных параметров надеть антистатический браслет.
Произвести юстировку микроскопа и получить на экране компьютера оптическое изображение исследуемого объекта. При необходимости включить программу анализа распределения дефектов по размерам.
Экспериментально определить оптическое электронное увеличение микроскопа.
Задание 2. Настройка лазерного люминесцентного микроскопа.
Установить перед цифровой камерой отсекающий фильтр.
Направить на объект возбуждающее излучение на третьей гармонике (и настроить оптическое изображение на экране компьютера).
В качестве объекта исследования получить от преподавателя ковету с люминесцирующим раствором.
Описать и проанализировать полученные результаты.
3.5. Содержание отчёта.
Название и цели работы.
Схема инфракрасного и люминесцентного лазерных микроскопов с перечисленными элементами.
Протокол экспериментального исследования, подписанный преподавателями.
Описание и анализ полученных результатов. Выводы.
3.6. Контрольные вопросы.
Какие лазерные излучатели были использованы в работе? Для каких целей? Перечислить основные параметры излучателей.
Каковы преимущества использования лазеров в качестве источников света в микроскопах?
Что такое полезное оптико-электронное увеличение микроскопа?
Заключение
В проекте собраны и отъюстированы компактные ванадатные лазеры с диодной накачкой на основной гармонике 1064 нм и на второй гармонике 532 нм с хорошим качеством лазерных пучков, и которые идеально подходят в качестве основных источников излучения для лазерных микроскопов.
Спроектирован действующий макет лазерного микроскопа, работающий как в режиме “светлого” поля, так и в режиме “тёмного” поля, отличающийся тем, что впервые была использована ПЗС-камера для цифрового анализа наночастиц на оптических изображениях по данной компьютерной программе.
По результатам проекта разработана учебно-исследовательская лабораторная работа «Многоцелевая лазерная микроскопия с цифровым анализом оптических изображений», которая успешно внедрена в учебный процесс МАОУ СОШ №2 им. Н.А.Тимофеева, г.о. Бронницы, в профильных классах старшей школы.
Список используемой литературы:
Ландсберг Г.С. Оптика. – Москва: физматгиз, 2010. – 846с.
Тарасов Л.В. Физика лазера. – Изд.5-е. – Москва: URSS Ленанд, 2017. – 439с.
Звелто О. Принципы лазеров. – Москва: Мир, 1990. – 557с.
Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. «Применение лазеров в машиностроении и приборостроении». – Ленинград: Машиностроение, 1978. – 336с.
Райнер К. Микроскопы. – Москва: Мир книги, 2008. – 47с.
Тимченко П.Е., Тимченко Е.В., Лазерная конфокальная микроскопия. – Самара: издательство СГАУ, 2014г. – 76с.
Голышевская В.И., Егорова и др., Люминесцентная микроскопия. – Москва: Триада, 2008. – 36с.