Blitzlampengepumpter gütegeschalteter Nd:YAG-Laser

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1 Hochschule München Fakultät 06 Laserzentrum Prof. H. P. Huber Blitzlampengepumpter gütegeschalteter Nd:YAG-Laser Praktikumsanleitung für den Lehrversuch kurze Lichtimpulse - KLI Erstellt von: A. Kwiaton SS 2010 Überarbeitet von: M. Grimm SS 2014

2 Inhalt: Inhalt 1. Inhalte und Ziele des Praktikums Vorbereitung des Praktikums Themengebiete Testatfragen Versuchsaufbau Durchführung des Praktikums Messung Messung mit der internen Photodiode Spiking; Pulsdauern Messungen mit der externen Photodiode Pulsdauer; Laufzeit; Messungen mit dem Energiemesskopf Ausarbeitung der Versuchsergebnisse Anhang Literaturempfehlungen für die Versuchsvorbereitung Wichtige optische Übergänge von Aluminium Hilfreiche Formeln für die Ausarbeitung Stückliste des KLI-Versuchs: Einschalten des Lasers Schematischer Aufbau Spitlight Prof. Dr. H. Huber Seite 2 von 13

3 1. Inhalte und Ziele des Praktikums Aufbau eines Festkörperlasers Erzeugung kurzer Pulse im ns -Bereich Charakterisierung und Messung kurzer Pulse Leistungsmessung am Laserstrahl Bestimmung der Durchbruchsfeldstärke in Luft Laufzeitmessung eines Lichtimpulses mit optischer Faser 2. Vorbereitung des Praktikums 2.1 Themengebiete Folgende Themengebiete sind für das Verständnis und die Durchführung des Praktikums relevant. Deshalb sollten sie vor dem Praktikum aufbereitet werden. o Nd:YAG Laser 3- und 4- Niveau-System Prinzipieller Aufbau eines Lasers Opt. Pumpen Opt. Übergänge o Güteschaltung Grundprinzip; elektrooptischer Q-Switch Polarisation o Messung kurzer Pulse Spitzenleistung/Durchschnittsleistung FWHM Photodioden/Frequenzfilter o Luftdurchbruch Opt. Intensität; El. Feldstärke Ionisation WICHTIGER HINWEISE ZUM UMGANG MIT DEN LASERN IM PRAKTIKUM Die verwendeten Laser emittieren unsichtbare Strahlung bei 1064 nm, sowie sichtbare Strahlung bei 532 nm mit bis zu einigen Watt Dauerleistung bzw bis zu 300 mj Pulsenergie und sind somit Laserklasse 4: Schwere irreversible Schädigungen insbesondere der Augen können bei unsachgemäßer Bedienung auftreten. Geeignete Schutzmaßnahmen müssen zwingend ergriffen werden. Am Praktikum darf nur teilnehmen, wer die jährliche Sicherheitsunterweisung zum Thema Laserstrahlung erhalten hat. Teilnehmer des Praktikums werden aufgefordet, selbst darauf zu achten, dass sie geeignete Schutzausrüstung (insbesondere Schutzbrillen) verwenden. Prof. Dr. H. Huber Seite 3 von 13

4 2.2 Testatfragen Folgende Fragen sollen beantwortet werden: 1- Strahlung welcher Wellenlänge emittieren Nd:YAG Laser? Was ist die große Gefahr bei Arbeiten mit Lasern im NIR-Bereich ( nm)? Wie kann man sich vor Laserstrahlung schützen? 2- Skizzieren Sie das Termschema eines 3-Niveau- und 4-Niveau-Systems. Erläutern Sie die Unterschiede anhand der Begriffe Pumpen, Lebenszeit der Energieniveaus und Besetzungsinversion. Welche Vor- und Nachteile bieten Blitzlampen bzw. Diodenlaser als Pumpquelle? 3- Was versteht man unter dem Begriff Spiking? Erklären Sie, wie dies zustande kommt. 4- Was ist das Prinzip der Güteschaltung? Wie funktioniert ein elektrooptischer Güteschalter (Pockelszelle)? 5- Wie sind pyroelektrische Sensoren für die Energiemessung aufgebaut? Skizzieren sie einen einfachen Schaltkreis der zur Messung eines ns-pulses mithilfe einer Photodiode verwendet werden kann. Erklären sie dabei die Wahl des richtigen Widerstands. (Stichworte: Photodiode als Stromquelle; Oszilloskop als Spannungsmessgerät; Transimpedanzwandlung; Kabelimpedanz BNC Kabel haben R = 50 Ω; Grenzfrequenz, RC-Glied) 6- Wie wird die Lichtgeschwindigkeit in Medien berechnet? Wo finden Laufzeitmessungen technische Relevanz? 7- Was versteht man unter einem Luftdurchbruch? Wie wird er erzeugt? Wovon hängt die Durchbruchsfeldstärke ab? Wo findet bzw. limitiert er technische Anwendungen? Als Quellen für die Vorbereitung kann der Anhang und das dort befindliche Quellenverzeichnis dienen. Die Testatfragen und oben angesprochenen Themengebiete sollten für die Versuchsdurchführung vorbereitet werden. Prof. Dr. H. Huber Seite 4 von 13

5 3. Versuchsaufbau Transmittierter Strahl (λ = 1064 nm) Strahlteiler Reflektierter Strahl (λ = 532 nm) Spitlight 300 Laser Oszi CH1 Linse (f = 100 mm) Beamdump Der Aufbau besteht aus dem Spitlight Laser, einem Strahlteiler, mehreren Spiegeln und einer Linse. Der Strahlteiler teilt den Laserstrahl in einen sichtbaren (λ = 532 nm) und einen unsichtbaren (λ = 1064 nm) Anteil. Anschließend werden die Strahlen in 2 Beamdumps gelenkt die die Laserstrahlung auffangen. Wichtig: Stellen sie die Messgeräte niemals direkt in den Strahlengang! (Messung von Streulicht oder Strahlaufweitung) Prof. Dr. H. Huber Seite 5 von 13

6 4.. Durchführung des Praktikums Allgemeine Hinweise: Das Praktikum ist so konzipiert, dass Sie möglichst viele Arbeitsschritte selbstständig erledigen können. Das kann aber nur funktionieren, wenn Sie ruhig und konzentriert im Team zusammenarbeiten und den Anweisungen des Betreuers Folge leisten. Zur Verfügung stehende Messmittel und Geräte: - Spitlight 300: Blitzlampengepumpter Nd:YAG Laser - Laserinterne Photodiode BPX 65 mit 9V Vorspannung und externen RC-Glied - Photodetektor DET10A - Energiemessgerät Field MaxII-Top mit Energiesensor J-25MB-HE - Digitales Speicheroszilloskop (200 Mhz) - Faseroptisches Kompaktspektrometer (Stellarnet Inc) - Linse (f = 100 mm) - Indikatorplättchen - Strahlteiler (R für 532 nm; T für 1064 nm) - Lichtwellenleiter zur Laufzeitmessung (10 m) - Keramikplättchen zur Erzeugung von Streulicht - Glasplatte (für Laufzeitmessung) - 2x Beam Dump - 4x Schutzbrille ( D LB6 + I LB7 + R LB5 / DR LB7 + I LB8) Bitte beachten! Bringen Sie zur Datensicherung einen USB-Stick mit! (max. 1GB Speicherkapazität) Die Aufnahmen werden als EPS-Files abgespeichert. Falls Sie die EPS-Daten nicht öffnen können, können Sie sich auf ein Gratistool herunterladen. Notieren Sie sich in allen Versuchsteilen ihre Messergebnisse und die dazugehörigen Betriebsparameter! In diesem Versuch wird mit einem Spitlight 300 der Firma InnoLas gearbeitet. Dies ist ein blitzlampengepumpter Nd:YAG Laser. Besorgen Sie sich die geeigneten Schutzbrillen und überprüfen Sie deren Eignung für den Laser. Achten Sie vor Inbetriebnahme, dass der Kühlwasserzufluss für den Laser aufgedreht ist. Schalten Sie den Rechner für die Ansteuerung ein und machen Sie sich mit der Software vertraut. Achten Sie bei folgenden Versuchsteilen stets darauf, dass die Anordnung der Spiegel den Lauf des Laserstrahls nicht behindert. Die Anleitung zum Starten des Lasers finden Sie im Anhang Prof. Dr. H. Huber Seite 6 von 13

7 4.1 Messung Messung mit der internen Photodiode Spiking; Pulsdauern In diesem Versuchsabschnitt wird mit der im Lasergehäuse verbauten Photodiode gemessen. Diese wird mit einer 9 V Blockbatterie vorgespannt. Für die Inbetriebnahme befindet sich unter dem Laser ein Schaltkästchen aus Metall, mit dem die Photodiode vorgespannt wird. Zusätzlich kann hier zwischen zwei wählbaren Widerständen (50 Ω und 1 kω) umgeschaltet werden. Schaltbild des externen RC-Glieds der BPX 65 Photodiode: Oszi R C 1 C 2 U B 9 V Schaltung 1: Schaltung 2: R 1 1kΩ C C pf 220 nf R 2 1kΩ I. Betrachten Sie auf dem Oszilloskop den Pumppuls der Blitzlampe. Stecken Sie hierfür das BNC-Kabel der internen Photodiode an CH 1 und das Triggersignal der Blitzlampe an CH 2. Triggern sie auf CH 2 (Triggerkopplung: HF Reject, Messmethode: Mittelwertbildung). Stellen Sie dies entsprechend am Oszilloskop ein. Stellen Sie die Lampenspannung auf 480 V und starten Sie die Blitzlampe. Lassen Sie den Shutter für diese Messung geschlossen! Stellen Sie das Oszi so ein, dass der Lampenpuls auf dem Bildschirm gut sichtbar ist und messen Sie die Pulsdauer des Blitzlampenpulses. (Screenshot!) II. Der Laser wird jetzt freilaufend betrieben. Zu diesem Zweck muss die Güteschaltung deaktiviert werden. Schwenken Sie dazu das 4 -Plättchen ein. Lösen Sie die Schraube an der Vorrichtung, lassen Sie das Plättchen bis zum Anschlag herab und ziehen Sie die Schraube wieder an. Stellen Sie die Lampenspannung auf 460 V ein. Öffnen Sie den Shutter und kontrollieren Sie, ob der Laserstrahl kein Bauteil, sondern die Keramikplatte trifft. Betrachten Sie auf dem Oszilloskop den Blitzlampenpuls sowie das einsetzende Spiking (Screenshot!). Erhöhen Sie die Lampenspannung auf 480 V (Screenshot!) und vergleichen Sie dieses Bild mit dem bei 460 V. Lösen Sie nun auf dem Oszilloskop einen einzelnen Spiking-Puls auf und vermessen Sie dessen Pulsbreite (Screenshot!). Prof. Dr. H. Huber Seite 7 von 13

8 III. Erhöhen Sie die Lampenspannung auf 500 V und ziehen Sie das Wellenplättchen bei geschlossenem Shutter wieder bis zum Anschlag hoch und Stellen Sie es fest. Öffnen Sie den Shutter und betrachten Sie nun den Laser- und Blitzlampenpuls. (Screenshot!). Betrachten Sie den Laserpuls bei den beiden wählbaren Widerständen und achten Sie jeweils auf die Signalstärken und Pulsbreiten (Screenshot!). Vergleichen Sie! Messungen mit der externen Photodiode Pulsdauer; Laufzeit; Für folgende Messvorgänge wird der auf dem optischen Tisch befindliche Photodetektor verwendet. Stecken Sie dazu das BNC-Kabel der internen Photodiode ab und an dessen Stelle das des Photodetektors (DET10A) an. Als Triggerquelle benutzt man hier CH 1, somit ergibt sich ein stabiles Bild auf dem Oszilloskop. Die Externe Photodiode sollte niemals direkt in den Strahlengang gestellt werden, wir werden nur Streulicht mit ihr messen! I. Der Laser läuft ab nun im Q-Switch Betrieb. Stellen Sie die Lampenspannung auf 480 V. Schätzen sie mithilfe eines Indikatorplättchens den Strahldurchmesser ab indem sie das Strahlprofil betrachten. II. Die Pulsbreiten sollen jetzt mit dem Photodetektor in Abhängigkeit der Blitzlampenspannung gemessen werden. Betreiben Sie den Laser zuerst bei geringer Lampenspannung (480 V). Messen Sie mit dem Oszilloskop die Pulsbreite (Screenshot!). Messen Sie in Schritten von ΔU = 10 V bis zu einer Lampenspannung von 540 V. III. Als nächster Versuchsteil soll die Durchbruchsfeldstärke in Luft bestimmt werden. Dazu wird in den Strahlengang eine plan-konvex Linse ( f 100 mm ) gestellt. Stellen Sie diese mit der gekrümmten Fläche voran in den Strahlengang. Justieren Sie die Linse so ein, dass der Laserstrahl die Keramikplatte wieder am selben Ort trifft! Arbeiten Sie mit niedriger Lampenspannung (480 V) die sie nach erfolgreicher Justage schrittweise um jeweils 10 V erhöhen bis ein Luftdurchbruch stabil zustande kommt. Notieren Sie sich den Grenzwert, ab dem der Luftdurchbruch stattfindet. Nehmen Sie mit dem Kompaktspektrometer zusätzlich die Lichtemission des Luftdurchbruchs auf und speichern Sie das Spektrum. IV. Der Laufzeitunterschied, den die Laserstrahlung bei Durchlaufen zweier verschiedener optischen Wege erfährt, soll gemessen werden. Da der IR-Laserstrahl des Nd:YAG für diese Messung eine ungeeignete Polarisationsrichtung aufweist, so dass dadurch der reflektierte Anteil an der Glasplatte sehr gering ist, wird hierfür der durch ein internes Frequenz-Verdopplungsmodul erzeugte grüne Laserstrahl verwendet. Verwenden Sie die 10 m lange optische Faser. Arbeiten Sie hier für die Justage bei einer Lampenspannung von 480 V. Sie müssen die Faser so einjustieren, dass zum einen der von der Glasplatte reflektierte Sekundärstrahl gut in die Faser eingekoppelt wird (nutzen sie dazu den Faserkoppler), sowie der aus der Faser austretende Laserstrahl gut vom Photodetektor detektiert werden kann. Benutzen Sie hierfür die Indikatorplättchen, sowie das dargestellte Signal am Oszilloskop. Prof. Dr. H. Huber Seite 8 von 13

9 Wenn Sie alles richtig gemacht haben, sollten auf dem Oszilloskop zwei nebeneinander liegende Pulse zu sehen sein. Messen Sie daraus den Laufzeitunterschied (Screenshot!). Schließen Sie den Shutter und schalten Sie die Blitzlampe vorerst aus. Vermessen Sie für Berechnungen in der Auswertung den Weg beider Strahlengänge, den die Strahlen nach dem Strahlteiler (Glasplatte) auf dem Weg zum Detektor zurücklegen Messungen mit dem Energiemesskopf Für die Energiemessungen wird wieder der IR-Strahl verwendet. Die Energiemessung erfolgt im direkten Strahlengang. Da die Energiedichten zu hoch werden für den Detektor, wird vor dem Energiedetektor der Laserstrahl mit einer bi-konkaven Linse aufgeweitet. I. Zunächst soll eine Kennlinie des Lasers im gepulsten Betrieb aufgenommen werden. Variieren Sie dazu die Lampenspannung beginnend bei 480 V in 20 V-Schritten bis 620 V. Notieren Sie sich jeweils die Pulsenergien. II. Es wird jetzt auch eine Kennlinie im freilaufenden Betrieb aufgenommen. Verwenden Sie dazu dieselben Intervalle wie im Schritt zuvor. Prof. Dr. H. Huber Seite 9 von 13

10 5. Ausarbeitung der Versuchsergebnisse Besonderer Wert wird auf die physikalisch sinnvolle Aufbereitung der Ergebnisse gelegt. Werden Größen aus gemessenen Werten berechnet, dann sind die zu Grunde liegende Formel und (nach Möglichkeit) die zugehörige Quelle zu nennen. Weniger wichtig sind lange verbale Beschreibungen und aufwändige graphische Spielereien. Diskutieren Sie jeweils kurz die Ergebnisse aus Ihren Diagrammen/Berechnungen und verwenden Sie für Ihre Ausarbeitung die Aufnahmen, die mit dem Oszilloskop erstellt wurden. Folgendes sollte die Ausarbeitung beinhalten: Titelblatt und Inhaltsverzeichnis Kurzbeschreibung des Versuches Schriftliche Beantwortung der Testatfragen Folgende Aufgaben zu ihren Messergebnissen: 1) In (I) haben Sie den Lampenpuls der Blitzlampe betrachtet. Erklären Sie, weshalb die Pulsdauer so gewählt wurde. (Hinweis: Fluoreszenz Nd:YAG) 2) Weshalb kann der Laser durch das Einschwenken des -Plättchens in den 4 Aufbau der Güteschaltung plötzlich freilaufend betrieben werden? Diskutieren Sie den Aufbau der Güteschaltung. 3) In (II) haben Sie das einsetzende Spiking bei unterschiedlichen Lampenspannungen betrachtet. Erklären Sie, weshalb bei höherer Spannung das Spiking früher einsetzt. 4) Diskutieren Sie die Schaltung mit den zwei wählbaren Widerständen. Welche Unterschiede bestehen zwischen den beiden Fällen? Welche Schaltung ist für die Messung schneller Vorgänge besser geeignet? Welchen Nachteil bietet sie dafür? 5) Erstellen Sie mit den Messwerten aus (II) ein Diagramm, welches die Pulsdauer in Abhängigkeit der Lampenspannung illustriert. Wieso werden die Pulse bei höheren Lampenspannungen kürzer? (Hinweis: Welche 3 Größen bestimmen die Pulslänge?) 6) Berechnen Sie mit ihren Messdaten die Durchbruchsfeldstärke für Luft. In (III) haben Sie die Schwellwertspannung für den Luftdurchbruch bestimmt. Berechnen Sie dazu mit Hilfe der dazugehörigen Pulsenergie (aus 4.1.3) und ihrem gemessenen Strahldurchmesser die Intensität im Fokus (Annahme: M 2 1) und bestimmen Sie die Durchbruchsfeldstärke aus der Intensität. Vergleichen Sie mit 1 dem Literaturwert ( Vm ). Geben Sie eine Erklärung für mögliche Abweichungen. 7) Ermitteln Sie den Brechungsindex der optischen Faser aus der Laufzeitmessung in (IV). Berechnen Sie dazu die jeweiligen Laufzeiten der beiden Strahlengänge von der Glasplatte bis zum Erreichen des Detektors. Die Differenz der Laufzeiten der beiden Strahlengänge entspricht ihrem gemessenen Wert aus (IV) (Vergleichswert für Quarz: n 1, ) 8) Tragen Sie mit den Messwerten aus die Pulsenergien in Abhängigkeit der Lampenspannung auf. Stellen Sie beide Diagrame in einem Graphen dar. Woher kommt die Sättigung im Q-Switch Betrieb? Prof. Dr. H. Huber Seite 10 von 13

11 6.. Anhang 6.1 Literaturempfehlungen für die Versuchsvorbereitung Folgende Bücher stehen Ihnen auch als ebooks zur Verfügung und können über die Seiten der HM-Bibliothek kostenfrei heruntergeladen werden. Rubin-und Nd:YAG-Laser: Eichler J., Eichler H..J.; Laser-Bauformen, Strahlführung, Anwendungen, Springer Verlag 2006 (6. Auflage), Kapitel Optische Pumpverfahren: Hugenschmidt M.; Lasermesstechnik- Diagnostik der Kurzzeitphysik, Springer Verlag 2007, Kapitel 2 S.38ff. Reider G.A.; Photonik-Eine Einführung in die Grundlagen, Springer Verlag 2005 (2. Auflage), Kapitel Polarisation: Eichler J., Eichler H..J.; Laser-Bauformen, Strahlführung, Anwendungen, Springer Verlag 2006 (6. Auflage), Kapitel 15 Güteschaltung: Eichler J., Eichler H..J.; Laser-Bauformen, Strahlführung, Anwendungen, Springer Verlag 2006 (6. Auflage), Kapitel 16.3, Detektoren (pyroelektr., Photodioden): Eichler J., Eichler H..J.; Laser-Bauformen, Strahlführung, Anwendungen, Springer Verlag 2006 (6. Auflage), Kapitel Demtröder W.; Laserspektroskopie-Grundlagen und Techniken, Springer Verlag 2007 (5. Auflage), Kapitel Meschede D.; Optik, Licht und Laser, Springer Verlag 2008 (3. Auflage), Kapitel 10.4 Internetquellen: Luftdurchbruch: (Stand ) Prof. Dr. H. Huber Seite 11 von 13

12 6.2 Wichtige optische Übergänge von Aluminium Wellenlänge in nm Relative Intensität [%] bezogen auf den spektralen Übergang bei 396,15 nm 394,4 50,00 396,15 100,00 466,8 6,11 559,2 5,00 600,6 5,00 607,2 5,00 618,3 5,00 Quelle : NIST Atomic Spectra Databaseby the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD., U.S.A. Die Tabellenwerte wurden aus elektrischen Gasentladungen ermittelt. Durch andere Umgebungsparameter wie Druck, Temperatur und dadurch, dass der Erzeugung des Plasmas ein anderer physikalischer Prozess zugrunde liegt, können sich Abweichungen bei den Wellenlängen und/oder relativen Stärken der Übergänge ergeben. 6.3 Hilfreiche Formeln für die Ausarbeitung Fokusdurchmesser für Grundmode 4 f 2 w ' f 2 f D Intensität I 2 E n Brechungsindex c0 n c f D E 0 0 n c 0 c Brennweite Durchmesser Lichtbündel auf Linse Fernfeld-Divergenzwinkel Impedanz eines dielektischen Mediums Elektrische Feldstärke Impedanz des freien Raums Brechungsindex des dielektrischen Mediums Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Lichtgeschwindigkeit im Medium Prof. Dr. H. Huber Seite 12 von 13

13 6.4 Stückliste des KLI-Versuchs: Leistungs-/ Energiemessgerät (Coherent (Field Max ІІ ) Laser Power/Energy Meter) Leistungs-/ Energiemesskopf (Coherent, J25MB-HE) Konkavlinse Dielektrisches Plättchen (Indikatorplättchen) Dielektrischer Spiegel (Transmission 1064 nm /Reflexion 532 nm) Glasplättchen Oszilloskop (Tektronix TDS 2022B) Photodiode (Thorlabs (DET 10A/M)) Umschaltbarer Widerstand (1kΩ - 50Ω) Batterie für umschaltbaren Widerstand (9V E-Block 6LR61) Glasfaser 10m Keramikplättchen Spektrometer für Messung des Luftdurchbruchs (Thorlabs (SMR 05/M)) 2x Beam-Dump Fokusierlinse (f = 200 mm) Lineal 6.5 Einschalten des Lasers 1. Kühlwasser aufdrehen 2. Hauptschalter am Laserkontrollgerät auf 1 stellen 3. Starten sie die Software zur Ansteuerung des Lasers (Desktop) 4. Drehen sie den Schlüsselschalter an der Frontseite des Kontrollgeräts 5. Kontrolllampe Emission sollte leuchten. 6. Verwendung der Software: Geben sie das Passwort innolas ein um vollen Zugriff zu erhalten Laden sie die Betriebsparameter voller Betrieb Starten sie den Laser (Schaltfläche Start Laser, der Kühlkreislauf sollte sich daraufhin einschalten) und anschließend die Blitzlampe (Schaltfläche Start Flashlamp ), der Shutter bleibt vorerst geschlossen. 7. Warten sie bis der Laser die Betriebstemperatur von ~20 C erreicht hat 8. der Laser ist nun Betriebsbereit Prof. Dr. H. Huber Seite 13 von 13

14 Hochschule München Fakultät 06 Laserzentrum Prof. H. P. Huber 6.6 Schematischer Aufbau Spitlight PZ 4 PC AKS SHG 532nm PZ ES LP SH DS 1064nm ES = Endspiegel PZ = Pockelszelle LP = Linearpolarisator PC = Pump Cavity SH = Shutter AKS = Auskoppelspiegel SHG = Second Harmonic Generation DS = Dielektrischer Spiegel Erstellt von: A. Kwiaton SS 2010 Überarbeitet von: M. Grimm SS 2014