Laser-Praktikum. 1 Einleitung. 2 Versuchsdurchführung. 2.1 Sicherheitshinweise

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1 Laser-Praktikum 1 Einleitung In diesem Versuch werden Sie den experimentellen Aufbau eines Nd:YAG Lasers mit Frequenzverdoppelung (SHG) und verschiedenen Mode-Locking-Techniken selbst durchführen. Hierzu verwenden wir einen flexiblen Aufbau der Firma Micos, der es erlaubt, alle Komponenten nacheinander einzusetzen. Er erlaubt einen guten Kompromiss zwischen einer realistischen Darstellung des üblichen Justageaufwands und bereits gut aufeinander abgestimmten Komponenten. Diese technische Vorbereitung ermöglicht es Ihnen, sich auf physikalische Fragestellungen zu konzentrieren. Ihr Ziel bei der Durchführung der Experimente ist es, schrittweise die in der Vorlesung erlernten Grundkenntnisse am Experiment zu untersuchen und die nötigen Justagefertigkeiten kennenzulernen, sowie einige quantitative Messungen durchzuführen. Die Auswertung Ihrer Messungen soll schließlich in Form eines kurzen Papers zusammengefasst werden, zu dem wir Ihnen einen Titel vorgeben. Beim Verfassen dieses Papers folgen Sie bitte den Vorgaben eines der angesehenen Journale aus dem Bereich der Optik. Auf diese Weise lernen Sie neben den experimentellen Kenntnissen auch die wichtige Erfahrung, wie ein Paper formell und inhaltlich geschrieben wird. Dieses Paper wird von uns korrigiert und kann Ihnen auf diese Weise als Feedback für zukünftige eigene Publikationen dienen. Diese Anleitung geht Schritt für Schritt auf die Komponenten ein und beschreibt die notwendigen Einstellungen und Messungen. Größtenteils bauen diese aufeinander auf. Die Reihenfolge ist also nicht beliebig. Wir können selbstverständlich nicht alle praktischen Fragen schriftlich beschreiben. Wir stehen Ihnen aber während der Versuchsdurchführung bei technischen und physikalischen Fragen zur Verfügung. 2 Versuchsdurchführung 2.1 Sicherheitshinweise Bitte beachten Sie zu ihrem Schutz und zum Schutz anderer Personen im Labor folgende Sicherheitshinweise: Bei Fehlern kann der Laser folgende Intensitäten erreichen 1000 mw bei 808 nm 1

2 200 mw bei 1064 nm 100 mw bei 532 nm Laserschutzbrillen müssen im Labor ständig getragen werden. Die Vorhänge müssen bei eingeschaltetem Laser immer geschlossen bleiben. Wenn Sie neue Komponenten in den Strahlengang stellen, können Reflexe unkontrolliert in unvorgesehene Richtungen entstehen. Blockieren Sie den Strahlengang oder schalten Sie den Laser aus, bevor Sie neue Elemente in den Strahlengang stellen. Die Fluoreszenzkarten bleichen aus und können beschädigt werden, wenn sie zu lange intensiver Strahlung ausgesetzt sind. Verwenden Sie die Karten nicht, um den Fokus des Strahls zu finden. Die Photodiode kann beschädigt werden, wenn sie zu lange und zu intensiver Strahlung ausgesetzt ist. Verwenden Sie diese bei hoher Leistung nur mit einem ausreichenden Abschwächer oder messen Sie die Leistung mit einem der zur Verfügung gestellten Leistungsmessgeräte (mit thermischem Leistungs-Messkopf oder speziell abgestimmtem Abschwächer-Vorsatz). Bringen Sie auch letztere nicht in den Fokus des Lasers. 2.2 Beschreibung der Komponenten 2

3 1. 50 cm lange optische Schiene mit Längenskala, auf der die Halter für optische Komponenten reproduzierbar positioniert werden können 2. Laserdiode, λ 808 nm, mit thermoelektrischer Kühlung und Termistor zur Temperaturregulierung in einem x-y-versteller. Ein Datenblatt befindet sich im Anhang. Eine LED zeigt an, ob die Laserdiode eingeschaltet ist. 3. Laserdioden-Steuuerung LDS 1200, Beschreibung siehe Seite Kollimationslinse, f = 6 mm 5. Fokussierlinse, f = 60 mm 6. Nd:YAG-Kristall mit einseitig verspiegelten, planen Grenzflächen im ϑ-ϕ-versteller. Die erste Seite hat eine Beschichtung für hohe Reflektivität bei 1064 nm und hohe Transmitivität bei 808 nm (reflektiert im Tageslicht grünlich). Diese Seite bildet einen der Spiegel der Kavität für den Nd:YAG-Laser. Die andere Seite des Kristalls für hohe Transmittivität bei 1064 nm und hohe Reflektivität bei 532 nm beschichtet (reflektiert im Tageslicht rötlich). 7. Auskoppelspiegel, R = 10 cm im ϑ-ϕ-versteller. Der Spiegel mit der Markierung OC hat eine Beschichtung für R = 0.98 bei λ = 1064 nm. Der Spiegel mit der Bezeichnung FC eine Beschichtung für R = bei λ = 1064 nm und hohe Transmitivität bei λ = 532 nm 8. Filterhalter. Der Filter mit der Bezeichung RG1000 (Rotglas) blockiert Strahlung mit Wellenlängen kleiner als 1000 nm und dient dazu die Nd:YAG-Strahlung bei 1064 nm von der Pumpstrahlung bei 808 nm zu trennen. Der Filter mit der Bezeichnung BG39 (Bandenglas), lässt nur Strahlung zwischen 350 nm und 600 nm transmittieren und dient dazu, die frequenzverdoppelte Strahlung bei 532 nm abzutrennen. 9. Silizium-PIN-Photodiode (Siemens, Typ BPX61). Empfindlichkeit 400 nm bis 1100 nm. Datenblatt im Anhang. 10. KTP (Kaliumtitanylphosphat)-Kristall im x-y/ϑ-ϕ-versteller zur Frequenzverdopplung. Datenblatt im Anhang. 11. Sättigbarer Absorber (Cr:YAG-Kristall) im x-y/ϑ-ϕ-versteller 2.3 Pumplaser Als Pumplaser für den Nd:YAG-Kristall dient eine Laserdiode mit etwa 808 nm Wellenlänge und maximal 450 mw Leistung. Die Laserdiode wird über einen Controller (LDS 1200) angesteuert. Damit können die Temperatur, auf die die Laserdiode gekühlt 3

4 wird, und der Strom kontrolliert werden. Im Controller-Gehäuse ist außerdem ein elektronischer Verstärker eingebaut, um den Strom einer Photodiode, zur Messung der Laserleistung, zu verstärken. Die Laserdiode wird zunächst nicht-moduliert (im CW-Modus) betrieben. Abbildung 1: Rückseite des Diodencontrollers LDS 1200: Netzanschluss mit Hauptschalter; Verstärkereingang und Verstärkerausgang zur Verstärkung der Photodiode; Ausgang des Modulationssignals als Referenz. Hinweis: Dieses Referenz-Signal wird immer ausgegeben, auch wenn die Modulation der Diode ausgeschaltet ist. Alle Anschlüsse sind BNC-Anschlüsse und können im Rahmen dieser Experimente ohne 50 Ohm-Abschluss-Widerstand mit Messgerät oder Diode verbunden werden. Die RS-Schnittstelle zur Ansteurung mit einem Computer wird im Experiment nicht benötigt. Die Laserdiode ist fest mit dem Gerät verbunden. 4

5 Abbildung 2: Vorderseite des Diodencontrollers LDS 1200: Schlüsselschalter zum An/Ausschalten der Laserdiode; Kühltemperatur für die Laserdiode; Strom durch die Laserdiode; Modulation des Stroms durch die Laserdiode ( off leuchtet wenn Modulation ausgeschaltet ist!), Form (Dreieck/Rechteck), Frequenz und Offset der Modulation des Stroms ; Verstärkungsfaktor des Messwerts einer Photodiode; Anregungen: Wie sind Strahlverlauf und Strahlform aus der Laserdiode? Mit Hilfe einer Sammellinse kann die Stirnfläche der Laserdiode auf einen weit entfernten Schirm vergrößert abgebildet werden. Welche Form hat die Austrittsfläche und wie wirkt sich das auf die Strahlform aus? Der Laserstrahl soll mit einer kurzbrennweitigen Linse kollimiert werden. Wie geht man dabei vor? Wie hängt die Leistung der Laserdiode von Strom und Temperatur ab? Zum Messen der Laserleistung verwenden Sie bitte das Leistungsmessgerät mit Temperaturmesskopf oder dem dazugehörigen Leistungsabschwächer. Strahlen Sie nur für einzelne Messungen auf diesen Messkopf ein und schatten Sie ihn ansonsten mit einem Pappkärtchen ab. 5

6 Abbildung 3: Aufbau mit kollimierter Laserdiode Abbildung 4: Struktur einer buried heterostructure (BH) Laserdiode mit Strahlform 2.4 Nd:YAG-Laser Fokussierung in den Nd:YAG-Kristall Der Nd:YAG-Kristall soll mit der Laserdiode gepumpt werden. Der Laserstrahl muss dazu mit einer Linse in den Nd:YAG-Kristall fokussiert werden. 6

7 Abbildung 5: Aufbau mit fokussierter Laserdiode Abbildung 6: Aufbau mit Nd:YAG-Kristall im Fokus des Pumplasers Anregungen: Wie wirkt sich die Neigung des kollimierten Strahls auf die Lage des Fokuspunkts hinter der Fokussierlinse aus? Wie kann die Neigung des kollimierten Strahls geändert werden, damit der Fokus im Zentrum des Nd:YAG-Kristalls liegt? Wo auf der optischen Achse (Skala) liegt der Fokus des Pumplasers? (Die Intensität ist im Fokus ausreichend hoch, um schwarzes Papier anzusengen.) 7

8 2.4.2 Absorption im Nd:YAG-Kristall Um den Kristall effektiv zu pumpen, müssen die Parameter der Pumplaserdiode so eingestellt werden, dass die maximale Leistung im Kristall absorbiert wird. Die Temperatur der Laserdiode hat einen Einfluss auf die Wellenlänge des Lasers. Anregungen: Wie variiert die Intensität, die durch den Nd:YAG transmittiert wird in Abhängigkeit von der Temperatur der Laserdiode? Wie viel von dieser Variation hängt vom Absorptionsverhalten des Kristalls ab und wie viel von der schwankenden Ausgangsleistung der Laserdiode? Bei der Absorption von 808 nm-strahlung wird der Nd:YAG-Kristall auf das Niveau 4 F 3/2 angeregt, bei der Relaxation wird Fluoreszenzstrahlung bei 1064 nm abgestrahlt. Wie ist die Lebensdauer des angeregten Zustands? Dazu wird die Pumpdiode im Rechteckmodus betrieben und die Intensität der 1064 nm-strahlung mit der Photodiode gemessen. Die 808 nm Pumpstrahlung kann mit dem Filter RG1000 blockiert werden. Um am Oszilloskop sowohl den Strom der Pumplaserdiode als auch die gemessene Lichtleistung der Photodiode anzuzeigen, sind folgende Anschlüsse vorzunehmen: 1. Der Ausgang der Si-Photodiode wird über ein BNC Kabel mit dem Photodioden- Eingang (Input) des Diodencontrollers verbunden, siehe Abb Der Photodioden-Ausgang des Controllers wird anschließend mit dem BNC Kabel mit dem Kanal II des Oszilloskopes verbunden. 3. Anschließend wird der Modulator-Ausgang des Controllers mit dem Kanal I des Oszilloskopes verbunden. Beim Oszilloskop werden nun beide Kanäle unabhängig voneinander auf den richtigen Messbereich eingestellt. Dazu: 1. Am Oszilloskop den Kanal I Knopf betätigen und das darüber liegende Volts/Div Poti solange drehen, bis das Rechtecksignal in der Amplitude auf die Hälfte des Anzeigeschirmes passt. Jetzt noch ganz rechts das Poti für Time/Div solange drehen, bis eine Periode des Signals gut sichtbar ist. Das Signal sollte in die obere Hälfte das Schirmes geschoben werden, dazu bitte die Drehpotis Y-POS und X-POS verwenden. 2. Das gleiche für Kanal I, nur dass das Signal am Ende in der unteren Hälfte des Anzeigeschirmes liegen soll. 3. Jetzt einmal den Knopf DUAL betätigen. Jetzt sollten beide Kanäle sichtbar sein oben die Modulation der Laserdiode auf Kanal I und unten das Transmissionssignal des Nd:YAG-Kristalls auf Kanal II. 4. Durch nachträgliches Betätigen des Y-POS2 Potis sollte das Signal der Potodiode so verschoben werden, um die Zeit für den 1/e Abfall sinnvoll abzulesen, welches der Lebenszeit der Elektronen im Niveau 4 F 3/2 entspricht. 8

9 Abbildung 7: Aufbau zur Messung der Lebensdauer Justage des Laserresonators Die Verspiegelung des Nd:YAG-Kristalls bildet eine Seite der Kavität. Der Auskoppelspiegel OC hat eine Krümmung von R = 100 mm und eine Beschichtung, die 2% der Strahlung transmittieren lässt. Die beiden Spiegel müssen senkrecht zur Achse des Resonators ausgerichtet werden. Folgendes Vorgehen ist hilfreich: 1. Der Aufbau besteht aus Pumplaser, Kollimationslinse, Fokussierlinse und einer Lochblende im Fokus des Pumplaserstrahls 2. Der Auskoppelspiegel wird in den Strahlengang gestellt und der Rückreflex auf der Lochblende beobachtet. Durch Neigung des Spiegels (Einstellschrauben am Halter) wird der Rückreflex auf das Zentrum der Lochblende justiert. Anschließend wird der Spiegel mit dem Halter wieder aus dem Strahlengang genommen. 3. Der Nd:YAG-Kristall wird verkehrt herum in den Strahlengang gestellt und auch hier der Rückreflex auf das Zentrum der Lochblende justiert. Wenn der Nd:YAG-Kristall nun wieder in den Fokus des Pumplasers gestellt wird und der Spiegel 2 cm bis 5 cm entfernt, sollte der Laser direkt anspringen. Das Licht von Nd:YAG-Laser und Pumplaser kann durch den Filter RG1000 getrennt werden. Durch Feinjustage aller optischen Elemente kann der Laser anschließend auf maximale Leistung justiert werden. Anregungen Wie hängt die Leistung des Nd:YAG-Lasers von der Leistung des Pumplasers bzw. des Diodenstroms ab? Dazu kann die Pumpdiode im Dreiecksmodus betrieben werden, um am Oszilloskop das Signal der Photodiode über den Diodenstrom anzuzeigen. Hierzu wird das Oszilloskop, wie im Kapitel beschrieben, angeschlossen. Desweiteren sollte der Pumplaser bei der Temperatur betrieben werden, bei welcher der Kristall die höchste Absorbtion zeigt, wenn dies möglich ist. Beachten Sie bitte, dass die Temperatur des Pumplasers nicht über 30 C liegen sollte. Im 9

10 Dreiecksbetrieb des Pumplasers können Sie den Strom (x-achse) über das Signal der Photodiode (y-achse) plotten. Dazu bitte den Knopf DUAL ca. 4 Sekunden gedrückt halten. Wie sieht das Strahprofil aus und wie verändert es sich bei Neigung oder Abstandsänderung des Auskoppelspiegels? Abbildung 8: Aufbau mit laufendem Nd:YAG-Laser Laser Spiking Wird die Laserdiode im Rechteckmodus betrieben, führt die plötzliche Änderung zu Relaxationsschwingungen, die die Form kurzer, intensiver Pulse (spikes) annehmen können. Abbildung 9: Laser-Spiking Tipps: Das Spiking ist am stärksten, wenn der Laser knapp oberhalb der Laserschwelle 10

11 und in TEM 00 -Mode betrieben wird Aktives Q-Switching Für aktives Q-Switching kann ein Chopper-Rad so in die Cavitiy eingebracht werden, dass nur in einem kurzen Zeitbereich Lasing möglich ist. Sie können mit Hilfe des Controllers für das Chopperrad die Frequenz variieren. Anregungen: Wie ist die Peak-Intensität des Lasers im Vergleich zum ungepulsten Betrieb? Wie verhalten sich die Pulse bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten? Passives Q-Switching Abbildung 10: Aufbau für passives Q-Switching mit sättigbarem Absorber. Die Achse des Absorbers lässt sich über das Rad A in der Position drehen; ebenso kann der Tilt über die Stellschrauben B eingestellt werden. Für ein passives Q-Switching wird der sättigbare Absorber in kurzem Abstand (ca. 2 mm bis 5 mm) hinter den Nd:YAG in die Kavität gestellt. Dies sollte im Laserbetrieb erfolgen. Es kann sein, dass der Laser seinen Betrieb einstellt, sobald der Absorber in der Kavität ist. Durch Drehen und Neigen des sättigbaren Absorbers kann die Pulsintensität maximiert werden. Anregungen: Wie ist die Peak-Intensität des Lasers im Vergleich zum ungepulsten Betrieb? Mit welcher Frequenz ist der Laser gepulst? 11

12 2.5 Frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser In einem KTP-Kristall (Kalium-Titanyl-Phosphat) kann die zweite Harmonische der Laserstrahlung erzeugt werden. Dazu muss die Kristallrichtung so gedreht werden, dass eine Phasenanpassung zwischen Fundamentalwelle (FH) und zweiter Harmonischer (SH) erreicht wird. Anregungen: Wie sieht das Strahprofil aus und wie verändert es sich bei Neigung oder Abstandsänderung des Auskoppelspiegels? Wie hängt die Leistung des frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers von der Leistung des Pumplasers bzw. des Diodenstroms ab? Dazu kann die Pumplaserdiode im Dreieckmodus betrieben und der Messwert der Photodiode am Oszilloskop als x-y- Plot aufgetragen werden. Dazu muss der x/y-knopf am Oszilloskop lange gedrückt gehalten werden (ca.4 Sekunden). Abbildung 11: Aufbau für Frequenzverdopplung Mikrochiplaser Mikrochiplaser zur Erzeugung von 532 nm-strahlung bei 808 nm Pumpstrahlung können als fertiges Bauteil gekauft werden. Dabei wird auf den Nd:YAG-Kristall ein KTP-Kristall gekittet, der entsprechend der Phasenanpassung richtig gecleaved ist. Die Endflächen sind für hohe Reflektivität bei 1064 nm verspiegelt. Stellen Sie den Mikrochiplaser in den Fokus der IR-Pumpdiode. Durch Drehen und Verschieben können Sie die Leistung maximieren. Solche fertigen Stapel sind industriell günstig erhältlich und werden häufig in grünen Laser-Pointern eingesetzt. 12

13 3 Auswertung Die Auswertung soll im Format eines physikalischen Papers geschrieben werden. Als Formatvorlage dient die Zeitschrift Optics Letters mit dreiseitigen Artikeln. Auf der Verlagsseite befinden sich: Stilhinweise zum Verfassen einer Publikation: oe/submit/style/jrnls_style.cfm Die Formatvorlage für L A TEX: default.cfm Hinweise zur Formatierung der Grafiken: submit/style/osa_art.pdf 13