Festkörperlaser: Grundlagen des Nd YAG Lasers, Güteschaltung, Frequenzverdopplung

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1 Fortgeschrittenenpraktium II Farbstofflasersystem Themen für die Vorbesprechung: Festkörperlaser: Grundlagen des Nd YAG Lasers, Güteschaltung, Frequenzverdopplung und mischung Farbstofflaser: Grundlagen der Molekülphysik: Elektronische Anregungen, Vibrations und Rotationsstruktur, Fluoreszenz, Linienverbreiterung und verschiebung in Flüssigkeiten, verstärkte spontane Emission (ASE), Linienbreite, Wellenlängenselektion mit einem Refektionsgitter (Monochromator) pyroelektrische Detektoren Literatur: [1, 2, 3, 4, 5] Beschreibung: Farbstofflaser (Dye laser) werden in vielen Bereichen der optischen Spektroskpie als intensive und vor allen Dingen durchstimmbare Lichtquellen eingesetzt. Das aktive Medium ist dabei ein in einer Flüssigkeit gelöster Farbstoff, der in einem begrenzten Wellenlängenbereich Laserlicht liefert. Mit unterschiedlichen Farbstoffen ist es möglich, im gesamten sichtbaren bis infraroten Spektralbereich kohärentes Licht zur Verfügungzu stellen, siehe z.b. Abb.8. In diesem Versuch erfolgt der optische Pumpprozess der Farbstoffmoleküle durch kurze Lichtpulse aus einem Nd YAG Festkörperlaser. Den schematischen Aufbau zeigt Abb.1. Da diese Lasertypen in der Regel im infraroten Spektralbereich arbeiten (hier 1024 nm), muß durch einen optisch nichtlinearen Prozess Licht zunächst bei kürzeren Wellenlängen generiert werden, um Licht ausreichender Photonenenergie zur Verfügung zu stellen. Dies wird durch die Erzeugung höherer Harmonischer in nichtlinearen Kristallen erreicht. Das vom Nd YAG Laser emittierte grüne (532 nm, Frequenzverdopplung) bzw. blaue (355 nm, Frequenzmischung) Licht entspricht der zweiten (second harmonic generation, SHG) und dritten (third harmonic generation, THG) Harmonischen. Den Prozess der Frequenzverdopplung (SHG) wollen wir im ersten Teil des Versuches genauer untersuchen. Dazu wird der grüne Lichtpuls in einen nichtlinearen doppelbrechenden Kristall Bariumborat (BBO) eingekoppelt und Licht bei 266 nm (fourth harmonic generation, FHG) erzeugt. Das oszillierende elektrische Feld des eingestrahlten Lichtstrahles regt Elektronen im Kristall zu Schwingungen mit der 1

2 Grundfrequenz des Lichtes an. Da die Kristallelektronen jedoch nicht streng harmonisch gebunden sind, strahlen sie anschließend neben der Anregungsfrequenz auch höhere Harmonische (Oberwellen) ab. Die Polarisation ist die Antwort des Mediums auf die elektromagnetische Welle und nur in erster Näherung linear abhängig von der eingestrahlten Feldstärke. Die Antwort des Mediums, d.h. die Polarisation wird deshalb in einer Potenzreihe entwickelt P = ɛ 0 ( χ (1) E + χ (2) E ) (1) wobei Proportionalitätsfaktoren χ i (Suszeptibilität m-ter Ordnung) sind. Sie bestimmen die Größe des nichtlinearen optischen Effektes m-ter Ordnung und sind Materialkonstanten. Den Effekt sieht am besten, wenn Sie für eine Welle der Form E = E 1 cos(ω 1 t) + E 2 cos(ω 2 t) (2) den quadratischen Term E 2 berechnen. Die Frequenz der ersten Oberwelle entspricht dabei der verdoppelten Grundfrequenz, wobei die Leistung der abgestrahlten Oberwelle quadratisch von der Leistung der eingestrahlten Grundwelle abhängt. Neben der Energie muß ebenfalls die Impulserhaltung erfüllt sein, d.h. die erzeugte Polarisationswelle der SHG muß in dem Medium dieselbe Ausbreitungsgeschwindigkeit haben wie die erste Harmonische. Dies erreicht man durch Drehung des Kristalls. Für einen bestimmten Winkel des Laserstrahls zur optischen Achse des Kristalls ist die sogenannte Phasenanpassung erfüllt und die vierte Harmonische wird erzeugt, die senkrecht (!) zur Grundwelle polarisiert ist. (Optional) Im zweiten Teil des Versuches werden die Fluoreszenzeigenschaften der Farbstoffmoleküle untersucht. Der SHG Lichtpuls des Nd YAG Lasers wird über zwei Spiegel in eine Küvette eingekoppelt, siehe Abb.3. Diese enthält ein Lösungsmittel (Methanol oder Ethanol) und einen Anteil von Farbstoffmolekülen. Der Laserpuls regt in den Molekülen einen optischen Übergang an, der unter Aussendung von Fluoreszenzlicht zerfällt. Das Spektrum der Fluoreszenzstrahlung wird mit einem hochauflösenden Gittermonochromator aufgenommen. Im letzten Teil des Praktikums wird der Farbstofflaser in Betrieb genommen. Koppelt man das Pumplicht in den Farbstofflaser ein, erhält man für genügend hohe Pumpleistung eine Besetzungsinversion. Ist die induzierte Emissionsrate größer als die Resonatorverluste, kann Licht beim Durchgang durch das aktive Medium verstärkt werden. Der Resonator des Farbstofflasers ist einfach aufgebaut, siehe Abb. 4 und besteht aus einer Linse (der als teilreflektierender Spiegel fungiert), einem optischen Teleskop und einem Gitter zur Wellenlängenselektion[6]. Der vom 2

3 Sp 1064 Sp 1064 Medium PC 1064nm 355nm Resonator 532nm Sp 355 DB SHG THG Sp 355 Abbildung 1: Schematischer Aufbau des NdYAG Pumplasers. Mit Hilfe einer Pockelszelle (PC) erreicht man, dass ein kurzer Lichtpuls aus dem Laserresonator ausgekoppelt wird. Durch zwei Umlenkspiegel (dielektrische Spiegel mit hoher Reflektivität für 1064nm) wird der Laserpuls in den BBO Kristall geführt und hier die SHG generiert. Im zweiten Kristall wird durch Frequenzmischung von 1064 nm mit 532 nm Licht die THG bei 355 nm erzeugt. Durch zwei dielektrische Spiegel, die eine hohe Reflektivität bei der THG Wellenlänge besitzen, werden die einzelnen Frequenzanteile getrennt und nur die dritte Harmonische verläßt das Austrittsöffnung des Lasersystems. Die erste und zweite Harmonische wird durch einen beam dump (BD) aufgefangen. Für die Nutzung der SHG wird die Orientierung des THG Kristalls bezüglich der optischen Achse verstimmt und geeignete Spiegel für 532 nm ersetzt. 3

4 PD Laser FHG UG5 PD ST Oszilloskop Abbildung 2: Untersuchung der vierten Harmonischen (FHG). Küvette Spiegel Monochromator Spiegel Laser Abbildung 3: Messung der Fluoreszenzstrahlung. 4

5 Gitter reflektierte Teil der Fluoreszenzstrahlung wird bei jedem Durchlauf durch die Küvette verstärkt. In diesem Aufbau wird also auf einen optischen Resonantor höher Güte verzichtet! Pumpstrahl Reflex Zylinderlinse Teleskop Blende Pyroelektrischer Detektor Gitter Dye Zelle Linse Filter Abbildung 4: Aufbau des Farbstofflasers. Aufgaben Im Versuch soll Sie folgende Fragen untersuchen: 1. In welchem Winkelbereich können Sie die Frequenzverdopplung beobachten? 2. Wie hoch ist die Effizienz des Verdopplungsprozesses? 3. Wie ist das Intensitätsverhältnis der Pulsenergien von zweiter zu erster Harmonischen als Funktion der Pulsenergie der ersten Harmonischen? 4. (optional) In welchem Spektralbereich fluoresziert der Farbstoff Rhodamin 6G? 5. Welche Eigenschaften hat das Licht des Farbstofflasers (a) In welchem Spektralbereich beobachten Sie Lasertätigkeit und mit welcher Intensität? (b) Wie stark ist der Farbstofflaserstrahl polarisiert? Führen Sie beide Messungen einmal mit und einmal ohne die Oszillatorlinse aus. 5

6 6. Welche zeitliche Breite (full width half maximum, FWHM) haben die Pulse des NdYAG (SHG, THG, FHG) und des FS Lasers? 7. optional: Wie beeinflußt das Lösungsmittel den Prozess? Nichtlineare Optik Der NdYAG Laser liefert einen Triggerpuls, der als Startpuls in das Oszilloskop eingekoppelt wird. Als Abschlußwiederstand verwenden Sie 50 Ω. Bestimmen Sie die Pulsenergie der FHG in Abhängigkeit vom Winkel des Kristalls zur Laserstrahlachse. Der pyroelektrische Detektor hat eine Empfindlichkeit von 380 V/J erzeugt ein Signal auf eine Zeitskala von 1 ms. Die Pulsenergie ist direkt proportional zum maximalen Ausschlag. Für die Messung muß der Abschlusswiderstand 1 MΩ betragen. Bei Bedarf kann die Signalhöhe mit einem Operationsverstärker erhöht werden. Der auf dem Gerät angegebene Verstärkungsfaktor stimmt nicht und muß seperat bestimmt werden. Uber das externe Spannungsgerät kann die Pulsenergie eingestellt werden. Maximal dürfen hier 700 V anliegen! Untersuchen Sie das Verhältnis I(FHG)/I(SHG). Zur Messung der SHG wird ein zweiter pyroeklektrischer Detektor eingesetzt (Empfindlichkeit 80J/ V). Wegen der hohen Intensität kann SHG Intensität wird nicht direkt gemessen werden, sondern wird über einen Reflex an einer Glasplatte bestimmt. Bei einer geringen (!) Pulsenergie der SHG wird die Intensität direkt gemessen und das Transmissions-/ Reflektionsverhältnis bestimmt. Messen Sie mit der schnellen Photodiode (Zeitablösung bei 50 Ω Abschlußwiderstand 500 ps) sowohl die Pulsbreite (full width half maximum, FWHM) der SHG als auch der FHG über einen Reflex, indem Sie beispielsweise ein Papier in den Strahlengang schieben. Den Detektor nicht direkt in den Strahlengang halten. Das Signal hat eine Länge von wenigen Nanosekunden. Berechnen Sie die Anzahl der SHG/ FHG Photonen und geben Sie die Pulsintensitäten (in W/cm 2 ) an. Die räumliche Ausdehnung des Pulses wird dazu grob mit einem photosensitiven Papier ausgemessen. Laserinduzierte Fluoreszenz Pumpen Sie mit der SHG eine Küvette in dem der Farbstoff Rhodamin 6G (R6G) in Methanol gelöst ist. Nehmen Sie die Fluoreszenzkurve mit dem Gittermonochromator auf. Der Monochromator erwartet ein kontinuierliches Signal. Tatsächlich erzeugt der Pumppuls des Lasers nur innerhalb eines kurzen Zeitfensters von unter 6

7 einer µs eine Besetzung des angeregten Zustandes im Farbstoffmolekül. Statt den interessanten Wellenlängenbereich grob zu rastern, muß man deshalb den Monochromator in feinen Schritten über den Wellenlängenbereich der Fluoreszenz fahren und die Daten im Anschluß am Rechner bearbeiten. (optional: Wiederholen Sie die Messung und bestimmen Sie jetzt auch die Fluoreszenzkurve für eine Mischung R6G in Ethanol. Bestimmen Sie ausserdem die Absorptionskurve des Farbstoffes.) Farbstofflaser 1. Untersuchen Sie die Lasereigenschaften von R6G. Nehmen Sie die Energie der Farbstofflaserpulse als Funktion der am Gitter eingestellten Wellenlänge auf. Vergleichen Sie mit Herstellerangaben zu diesem Farbstoff (Tab. 2, Abb. 5 und 6). 2. Bestimmen Sie die Polarisation des Farbstofflaserstrahls. Wie schon oben erwähnt: Vergleichen Sie Ergebnisse, die Sie unter unterschiedlichen Bedingungen gewonnen haben. Wie ändern sich die Resultate aus den Aufgaben 1 und 2, wenn sie die Oszillatorlinse aus dem Aufbau herausnehmen. 3. Messen Sie die Breite (FWHM) der Farbstofflaserpulse. 4. (optional) Vergleichen Sie mit den Fluoreszenzspektrum. Trennen Sie in ihrem Protokoll zwischen Ergebnis und Diskussion (seperate Kapitel).!!! Vorsicht!!! Laserstrahlung ist gefährlich!!! Alle reflektierenden Teile wie Uhren, Ringe, Armbänder ablegen! Hinweise zum Betrieb des Farbstofflasersystems 1. Resonatorlinse aus dem Farbstofflaser ausbauen. 2. Zum Einstellen einer bestimmten Wellenlänge den Kippschalter auf die entsprechende Richtung einstellen. Das Gitter dreht sich, wenn man den Kippschalter an der linken Seite des Farbstofflasers bedient. Über das Einstellungsrad kann die Geschwindigkeit der Drehbewegung eingestellt werden. Peakwellenlänge des Farbstoffes einstellen, siehe Tabelle 2. 7

8 3. Fluoreszenzstrahl durch das Teleskop auf das Gitter abbilden. Senkrecht zur Strahlachse (0te Ordnung des Gitters) sieht man auf einem weißen Konstrollpapier einen farbigen Lichtfleck. Ist die Intensität dieses Reflexes maximal, stimmt die Pumpachse einigermaßen mit der des Farbstofflaserstrahls überein. 4. Zu Anfang ist der Laserstrahl schwach und in der Regel kaum vom ASE Untergrund (amplified spontaneuos emission) zu unterscheiden. Deshalb sollte regelmäßig kontrolliert werden, daß nicht das falsche Signal optimiert wird. Methode: Wenn man den Strahlengang zwischen Teleskop und Gitter unterbricht, muß das Laserstrahlsignal verschwinden. 5. Wenn dieser Aufbau optimiert ist, setzen Sie den Spiegel ein und versuchen den reflektierten Laserstrahl ebenfalls auf das Gitter zu fokussieren. Optimieren Sie nun auf Intensität aber auch auf Strahlqualität. Wenn der Laser sehr gut justiert ist, sieht man auf dem Kontrollpapier Interferenzstreifen. Eventuell ist es sinnvoll, den Laser am roten bzw. am blauen Ende der Verstärkungskurve zu optimieren, siehe Abb. 5, 6. Für die Messung der Pulslänge ist ein Oszilloskop mit einer höheren Abtastrate (200 MHz und mehr) erforderlich. Der Eingangskanal für das Signal der Photodiode muß mit 50 Ω abgeschlossen werden. Die Photodiode auf einen Reflex des Laserstrahls richten. Strahlt der Laserlichtpuls direkt in die Diode besteht die Gefahr, dass das Gerät zerstört wird. Im übrigen ist das Signal in diesem Fall so stark, dass Sättigungseffekte auftreten. Dies muß auch bei der Messung berücksichtigt werden! Hinweis: Eventuell müssen die Farbstoffe neu angesetzt werden. Die benötigte Konzentration für 100 ml ergibt sich aus Tabelle 2. Beim Arbeiten mit den Farbstoffen ist es nötig (da sehr farbecht) Gummihandschuh zu tragen. Nach dem Wechsel den Laserkreislauf starten und einige Zeit laufen lassen. Literatur [1] F.T. Arecchi and E.O. Schulz-Duboir, editors. Laser Handbook, volume 1, 2. North Holland, Amsterdam, [2] W. Demtröder. Laserphysik. Springer, Berlin,

9 [3] H.-J. Eichler and J. Eichler. Laser, Grundlagen, Systeme, Anwendungen. Springer, Berlin, [4] F.K. Knebühl and M.W. Sigrist. Laser. Teubner, Stuttgart, [5] P.W. Milonni and J.H. Eberly. Lasers. J. Wiley, New York, [6] T. Hänsch. Appl.Opt., 11:895, Kontakt: Josef Tiggesbäumker, Universitätsplatz 3, Zimmer 217, Tel

10 Rhodamin 6G Coumarin102 Lösungsmittel λ abs Lösungsmittel λ abs nm nm HFIP 514 HPIF 418 TFE 516 TFE 405 EtOH 530 MeOH 390 DPA 537 NMP 383 DMSO 540 Tabelle 1: Verschiebung des Absorptionsmaximums λ abs für zwei verschiedene Farbstoffe als Funktion des Lösungsmittels. Farbstoff λ Pump λ Peak Abstimmbereich Eff. Konz. nm nm nm % g/l Coumarin Rhodamin 6G Tabelle 2: Peakwellenlänge und Abstimmbereich der beiden benutzten Farbstoffe. 10

11 Abbildung 5: Absorptionskurve von Coumarin 153. Abbildung 6: Absorptionskurve von Rhodamin 6G. 11

12 Abbildung 7: Durchstimmbereich verschiedener Farbstoffe bei Anregung mit dem Licht eines Stickstofflasers. 12

13 Abbildung 8: Durchstimmbereich verschiedener Farbstoffe bei Anregung mit einem Nd YAG Lasers. 13