Praktikum über Spektroskopie

Transkript

1 Praktikum über Spektroskopie Versuch 8 Nd YAG Laser Vorbemerkungen: 1. Der linke Abdeckkasten muss bei sämtlichen Experimenten den Diodenlaser, den Kollimator und die Fokussierlinse auf der optischen Bank abdecken. 2. Grundsätzlich müssen Laserschutzbrillen getragen werden. 3. Uhren und Schmuckstücke an den Händen und Unterarmen müssen vor dem Versuch abgelegt werden. 4. Der rechte Abdeckkasten darf zu notwendigen Manipulationen an den optischen Komponenten entfernt werden, danach ist die optische Bank wieder abzudecken. 5. Es dürfen keine Manipulationen an den folgenden Komponenten des Versuchsaufbaus vorgenommen werden: Diodenlaser (A in Abb. 1) Kollimator (B in Abb. 1) Fokussierlinse (C in Abb. 1) Ort des Nd YAG Kristalls auf der optischen Bank (D in Abb. 1) 6. Eine Berührung der optischen Elemente in den Modulen mit den Fingern muss unbedingt vermieden werden. Aufgaben: 1. Messen Sie einen Ausschnitt des relativen Transmissionsspektrums des Nd YAG Kristalls. Variieren Sie dazu die Wellenlänge des Diodenlasers (Pumplasers) mittels dessen Temperatur. Es ist zweckmäßig, den Diodenlaser mit einem Injektionsstrom von 500 ma und im Temperaturintervall zwischen 7 C und 45 C im Dauerstrich-Modus (Schalter Modulator in der Stellung Off ) zu betreiben. Als Messgröße dient die Ausgangsspannung der Photodiode, die mit einem Spannungsmessgerät ermittelt wird. Im zugänglichen spektralen Absorptionsbereich liegen zwei Maxima bei nm und bei nm. Berechnen Sie aus dem Transmissionsspektrum ein relatives Absorptionsspektrum (siehe Skriptum Kap ). Hinweis für die Zuordnung: Die Wellenlänge nimmt mit der Temperatur zu.

2 2. Messen Sie die Fluoreszenzabklingzeit des Nd YAG Kristalls. Betreiben Sie dazu den Pumplaser im Modulations-Modus (Schalter Modulator in der Stellung Intern ). Die nicht absorbierte Pumpstrahlung soll durch ein geeignetes optisches Filter unterdrückt werden entsprechend der Anordnung der Abb. 1. Abb. 1: Versuchsaufbau zur Messung der Fluoreszenzlebensdauer Die Transmissionskurven der verfügbaren Filter sind in Abb. 2 wiedergegeben. Abb. 2: Transmission der Filter BG 39 und RG 1000 Das Referenzsignal aus dem Steuergerät wird auf den CH1-Kanal des Oszilloskops gelegt, das verstärkte Signal aus der Photodiode auf den CH2-Kanal. Mittels des Cursors des Oszilloskops messen Sie Wertepaare {U(t), t}, aus denen die Abklingzeit ermittelt werden kann. Die Werte für die Zeit t sollen im Intervall [0 µs, 700 µs] liegen.

3 3. Bauen Sie entsprechend der Abb. 3 einen Nd YAG Laser auf. Der linke planparallele Resonatorspiegel ist in den Nd YAG Kristall integriert. Welches Kriterium muss für den Abstand der Spiegel beachtet werden? Bringen Sie mittels der Stellschrauben (nur wenig drehen!) am Nd YAG Kristall und am sphärischen Auskoppelspiegel den Laser zum Laufen, wobei der Pumplaser im Modulations-Mode betrieben wird, und das Anspringen des Nd YAG Lasers auf dem Oszilloskop kontrolliert wird. Abb. 3: Nd YAG Laser 4. Ermitteln Sie den Schwellenabstand der Spiegel. Der Nd YAG Kristall bleibt dabei ortsfest. 5. Betreiben Sie die Laserdiode im Modulations-Modus. Wählen Sie die Pumpleistung des Diodenlasers so gering, dass das Spiking gut auf dem Oszilloskop sichtbar gemacht werden kann. Machen Sie eine Skizze des beobachteten Spikings. Schätzen Sie die Abklingzeit der ersten drei Spiking-Peaks ab. Benutzen Sie dazu die Ausführungen am Ende des Kap des Praktikumskriptums. 6. Der Auskoppelspiegel R % wird durch den Auskoppelspiegel SHG 100 mit der Reflektivität 99,98 % ersetzt. Messen Sie die Laserleistung in Abhängigkeit von der Leistung des Pumplasers. Betreiben Sie dazu den Laser im Dauerstrich-Modus (Schalter Modulator in der Stellung Off ) und messen Sie die Ausgangsspannung der Photodiode mit einem Spannungsmessgerät. Bei welcher Pumpleistung liegt die Laserschwelle?

4 7. Betreiben Sie den Laser frequenzverdoppelt entsprechend der Abb. 4. Abb. 4: Frequenzverdoppelter Nd YAG Laser Welches optische Filter benutzt man zweckmäßig zur Unterdrückung der Pump- und YAG-Strahlung? Stellen Sie mittels der Stellschrauben (nur wenig drehen!) am Nd YAG Kristall, am Auskoppelspiegel und am KTP Kristall den frequenzverdoppelten Laser auf maximale Leistung. 8. Entfernen Sie die Photodiode und betreiben Sie den Laser im Dauerstrich-Modus. Erzeugen Sie durch Drehen der diversen Stellschrauben Bilder von Transversalmoden auf einem Schirm mit mm-papier. Zeichnen Sie die Transversalmoden auf dem mm-papier nach und charakterisieren Sie die Transversalmoden mit der üblichen Nomenklatur. Blenden Sie mittels der Modenblende im Resonator einen Teil der erzeugten Transversalmoden aus. 9. Messen Sie die frequenzverdoppelte Laserleistung in Abhängigkeit von der Leistung des Pumplasers: Stellen Sie die Photodiode wieder auf die optische Bank und setzen Sie in den Reiter vor die Photodiode das vorhandene Zielkreuz. Erzeugen Sie ein Bild der Mode TEM 00 und blenden Sie gegebenenfalls sonstige Transversalmoden mit der Modenblende aus. Justieren Sie den Strahl in die Mitte des Zielkreuzes. 10.Stellen Sie anhand der experimentellen Daten einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Leistung der Grundwelle des ND YAG Lasers und der Leistung der frequenzverdoppelten Strahlung her.

5 Stichwörter Messung von Lebensdauern, Ermittlung der Lebensdauer Linienbreiten Absorption, stimulierte Emission und spontane Emission Kohärente und inkohärente Strahlung Das Prinzip des Lasers (Aufbau, Lasermaterial, Energiepumpen, Resonatoren) Longitudinalmoden, Transversalmoden Besetzungsinversion, Strahlverstärkung 4-Zustandslaser, Nd YAG Laser Spiking Frequenzverdopplung Halbleiterlaser ((Prinzip, p-n-laserdioden)