Lasertechnik Praktikum. Nd:YAG Laser

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1 Lasertechnik Praktikum Nd:YAG Laser SS 2013 Gruppe B1 Arthur Halama Xiaomei Xu 1. Theorie 2. Messung und Auswertung 2.1 Justierung und Beobachtung des Pulssignals am Oszilloskop 2.2 Einfluss der Verstärkerspannung und Oszillatorspannung 2.3 Einfluss der Verzögerungszeit 2.4 Frequenzverdopplung

2 1. Theorie: Der Nd:YAG-Laser ist ein blitzlampen-gepumpter Festkörperlaser, der aus einem Oszillator, einem Verstärker sowie Spiegelanordnungen und einem Kühlsystem besteht. Dabei wird der Oszillator etwa 300µs nach dem Verstärker durch eine Blitzlampe gepumpt um eine maximale Leistung zu erreichen. Das Laserlicht wird in dem Oszillator erzeugt und anschließend im bereits angeregten Verstärker verstärkt. Dabei wird der Oszillator mit einer niedrigeren Spannung als der Verstärker optisch gepumpt. Dies liegt daran, dass der Laserresonator das Laserlicht im Oszillator durch stimulierter Emission verstärkt und so eine ausreichend große Lichtmenge erzeugt wird, die im Verstärker nur noch einmalig zur stimulierten Emission beiträgt, wodurch das Laserlicht verstärkt wird. Eine Alternative zum Pumpen durch Blitzlampen stellen Laserdioden bei einer Wellenlänge von 808nm dar. Diese erzielen höhere Wirkungsgrade von 25-50% im Gegensatz zu den Blitzlampen mit 3-5%. Die Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers liegt bei 1064nm und kann durch Frequenzverdopplung zu einer Wellenlänge von 532nm, somit grünem Laserlicht führen. Die durchgeführten Versuchsreihen sollen uns mit dem Nd:YAG-Laser und seinen Eigenschaften vertraut machen. Zu diesem Zweck wurde zunächst der Rückkoppelspiegel des Lasers zunächst so eingestellt, dass wir die maximale Leistung des aus dem Oszillator tretenden Laserlicht messen. Im Folgenden wurde eine Fotografie des verstärkten Laserlichts mithilfe von geschwärztem Fotopapier aufgenommen, um die vorliegende Justierung zu verifizieren und den Strahl mit einem runden Strahlquerschnitt zu erkennen. Es folgten quantitative Messungen zur Beobachtung der Einflüsse der Verstärkerspannung, der Oszillatorspannung und der Verzögerungszeit auf die Pulsenergie. Abschließend nahmen wir die Pulsform des frequenzverdoppelten Laserstrahls auf. 2. Messung und Auswertung: Für eine quantitative Analyse des Lasers wurde als erstes der Auskoppelspiegel so justiert, dass die maximale Leistung über eine Photodiode am Oszilloskop gemessen wird. Der Ausdruck (Abb. 1) des Signals zeigt eine steile Flanke nach der der Puls mit einem annähernden exponentiellen Abfall absinkt. Aufgrund des hohen Eingangswiderstandes ist die Zeitkonstante des Oszilloskops zu groß wodurch das Signal nicht genau genug zeitlich aufgelöst werden kann. Der zweite Ausdruck (Abb. 2) repräsentiert das Signal unter Nutzung eines vorgeschalteten Widerstandes von 1,5kΩ. Damit steigt die zeitliche Auflösung und eine charakteristische Pulsform lässt sich erkennen. Eine einhüllende Kurve des Verlaufs entspricht erneut angenähert einem exponentiellen Abfall nach der steilen Flanke. Es zeigen sich nun allerdings auch regelmäßige Einbrüche der Signalstärke, die das Signal fast bis auf null zurückführen.

3 Abbildung 1. Messung über den Eingangswiderstand von 1MΩ am Oszilloskop. HIER IST EIN AUSGEDRUCKTES DIAGRAMM EINGEKLEBT Abbildung 2. Messung über einen Widerstand von 1,5kΩ. HIER IST EIN AUSGEDRUCKTES DIAGRAMM EINGEKLEBT Die Fotografie (Abb. 3) zeigt das Profil des verstärken Laserstrahls. Da eine annähernd runde Form vorliegt, kann die Justierung des Verstärkers verifiziert werden.

4 2.2 Einfluss der Verstärkerspannung und Oszillatorspannung Zur Untersuchung des Einflusses der Verstärker- und der Oszillatorspannung auf die Pulsenergie wurden zwei Messreihen mit U amp =1500V 2300V, bei U osc = 700V und 650V mit T = 300µs durchgeführt. 0,45 0,4 0,35 Pulsenergie als Funktion der Verstärkerspannung E / J 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Uosc = 700V Uosc = 650V Uamp / V Gemittelt über 4 Messungen und mit einem Umrechnungsfaktor von 8,16 V/J ergeben sich diese Verläufe der Pulsenergie über die Verstärkerspannung. Mit steigender Oszillatorspannung steigt die Pulsenergie, da durch die höhere Spannung der Oszillator stärker gepumpt wird und mehr Neodym-Ionen angeregt werden. Gleiches gilt für den Verstärker. Eine steigende Spannung führt hier zu einer stetig steigenden Pulsenergie.

5 2.3 Einfluss der Verzögerungszeit Um den Einfluss der Verzögerungszeit auf die Pulsenergie zu messen wurde bei gleichbleibenden Spannungen von U osc = 700V und U amp = 2300V die Verzögerungszeit von 100µs bis 500µs in Schritten von 50µs gemessen. 0,5 Pulsenergie als Funktion der Verzögerungszeit 0,4 0,3 E / J 0,2 0, t / µs Das Diagramm verdeutlicht die Abhängigkeit der Pulsenergie von der Verzögerungszeit. Es ist ein stetiger Anstieg der Energie bis zu einer Zeit von etwa 320µs zu bemerken. An dieser Stelle erreicht die Pulsenergie ihr Maximum. Damit sinkt die Energie von dort stetig. Die Messung ergibt eine optimale Verzögerungszeit von 320µs, mit der der Verstärker früher gepumpt wird als der Oszillator um eine maximale Leistung zu erreichen. Diese Zeit liegt von der Größenordnung nahe an der mittleren Lebensdauer der angeregten Elektronen der Neodym-Ionen um 230µs. Ein Betrieb bei 300µs führt dennoch zu keinen großen Einbußen der Laserleistung.

6 2.4 Frequenzverdopplung Um eine Frequenzverdopplung zu erhalten strahlt das Laserlicht des Nd:YAG-Lasers durch einen DCDA-Kristall bei einer Betriebstemperatur von 85 C. Zur Analyse der Pulsform des wird das frequenzverdoppelte Laserlicht durch eine Reihe von Filtern gestrahlt und dann erst gemessen, da ein relativ großer Anteil des IR-Lichts trotz des Kristalls verbleibt. Der Ausdruck der Pulsform (Abb. 4) zeigt eine ähnliche Charakteristik wie die Pulsform des reinen Nd:YAG-Lasers. Die Pulsenergie ist durch die Reihe von Filtern und weil der Kristall nur einen Teil des Laserlichts frequenzverdoppelt wesentlich geringer. Daraus lässt sich schließen, dass der DCDA-Kristall die Pulsform im Wesentlichen nicht beeinflusst. Abbildung 4. Pulsform des frequenzverdoppelten Laserslichts HIER IST EIN AUSGEDRUCKTES DIAGRAMM EINGEKLEBT