Aufgaben für die Vorbereitung

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1 Aufgaben für die Vorbereitung Folgende Punkte sollten in der Vorbereitung behandelt werden: Laser mit Bezug auf Aufbau und Komponenten Einsteinkoeffizienten und Ratengleichung des Zweiniveausystems Laserschwelle Resonatoren Aufbau und Stabilitätskriterium Longitudinale und transversale Resonatormoden Niveauschema von Nd:YAG Grundlagen von Laserdioden Frequenzverdopplung und Phasenanpassung Aktive und passive Modenkopplung und Bezug zu Güteschaltung (Q- Switching) Im Verlauf des Versuchs werden Sie Laser-Spiking, Güteschaltung und Frequenzverdoppelung untersuchen. Für eine quantitative Beschreibung dieser Phänomene ist der Besuch einer Spezialvorlesung über nichtlineare Dynamik/Optik notwendig. Es wird daher nicht von Ihnen verlangt, dass Sie in der Vorbereitung tiefgehend auf diese Punkte eingehen. Sie sollten aber ein Verständnis für diese Begriffe entwickeln. Hierzu empfiehlt es sich auch die entsprechenden Artikel von durchzulesen. Sollten Sie Probleme mit den Begrifflichkeiten haben, fragen Sie Ihren Betreuer. Er wird mit Ihnen gemeinsam während des Versuchstages Laser-Spiking, Güteschaltung und Frequenzverdoppelung erörtern. Literatur Es gibt eine Fülle von Büchern über Laser - hier ist nur eine kleine Auswahl aufgelistet. Beschreibung eines ähnlichen Praktikumsversuches: uiowa.edu/~rvogel/int_lab_2007_1/pdfs/yag_manual.pdf K. Kneubühl: Laser D. Meschede: Optik, Licht, Laser: Eine gute Darstellung des Themenfeldes, allerdings nicht mit demselben Tiefgang. W. Demtröder: Experimentalphysik III Atome, Moleküle, Festkörper Kap. 7 und 8, Phänomenologische Beschreibung des Lasers J. Eichler und H. Eichler Laser, praxisorientierte, ingenieurwissenschaftlich orientierte Übersicht zum Thema Laser

2 Fortgeschrittenen-Praktikum Nd:YAG Laser Versuchsanleitung Bei Fragen oder Anmerkungen zur Versuchsanleitung bitte eine an schicken.

3 1 Sicherheitshinweise Bevor mit dem Versuch begonnen wird, müssen unbedingt zu Ihrem Schutz und zum Schutz anderer Personen im Labor folgende Sicherheitshinweise beachtet werden: 1. Bei Fehlern kann der Laser folgende Intensitäten erreichen: 1000 mw bei 808 nm 200 mw bei 1064 nm 100 mw bei 532 nm 2. Laserschutzbrillen müssen im Labor ständig getragen werden! 3. Die Vorhänge müssen bei eingeschaltetem Laser geschlossen bleiben! 4. Fassen Sie nicht in den Strahlengang (Verbrennungsgefahr)! 5. Bringen Sie den Strahlengang nicht auf Augenhöhe! 6. Wenn Sie neue Komponenten in den Strahlengang stellen, können Reflexe unkontrolliert in unvorhergesehene Richtungen entstehen. Blockieren Sie den Strahlengang oder schalten Sie den Laser aus, bevor Sie neue Elemente in den Strahlengang stellen! 7. 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! 8. 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! 9. Reduzieren Sie den Pumpstrom des Lasers erst auf 0 ma bevor Sie ihn ausschalten und erhöhen Sie den Pumpstrom erst nach Einschalten des Lasers! 1

4 2 Versuchsablauf Folgende Übersicht soll Sie durch den Versuch führen: 1. Kollimation des Laserstrahls und Fokussierung mit Hilfe einer Sammellinse 2. Leistungsmessung der Laserdiode (auch abhängig von der Temperatur) 3. Messung der Lebensdauer des angeregten Zustands von Nd:YAG 4. Messung der Absorption des Nd:YAGs in Abhängigkeit der Temperatur der Laserdiode 5. Justage des Nd:YAG-Kristalls und des Auskoppelspiegels OC Aufnahme von Laserspiking 7. Leistungsmessung des Nd:YAG-Lasers 8. Passives Q-Switching mit Cr:YAG-Kristall 9. Erzeugung der zweiten Haromischen mit einem KTP-Kristall 10. Leistungsmessung des frequenzverdoppelten Signals 2

5 3 Beschreibung der Komponenten 1. 5 cm lange optische Schiene mit Längenskala, auf der die Reiter für optische Komponenten positioniert werden können. 2. Laserdiode, λ 808 nm, mit thermoelektrischer Kühlung und Termistor zur Temperaturregulierung in einem x-y-versteller. 3. Laserdioden-Steuuerung LDS Kollimationslinse, f = 6 mm. 5. Sammellinse, f = 60 mm. 6. Nd:YAG-Kristall mit einseitig verspiegelten, planen Grenzflächen im θ-ϕ- Versteller. 7. Auskoppelspiegel OC100, R = 10 cm im θ-ϕ-versteller. Die Reflektivität des Spiegels beträgt R = 0.98 bei λ = 1064 nm. 8. Filterhalter für RG1000 (Rotglas, Transmission über 1000 nm), BG39 (Bandenglas, Transmission zwischen 350 nm und 600 nm), und Neutraldichtefilter NG9. 9. Silizium-PIN-Photodiode für λ = nm(siemens, Typ BPX61). 10. KTP (Kalium-Titanyl-Phosphat)-Kristall im x-y/θ-ϕ-versteller zur Frequenzverdopplung. 11. Sättigbarer Absorber (Cr:YAG-Kristall) im x-y/θ-ϕ-versteller für Q-Switching. 3

6 4 Allgemeiner Hinweis Schreiben Sie immer exakt auf, in welcher Reihenfolge Sie welche Komponenten in den Strahlengang gestellt haben. Beschreiben Sie in Ihrer Auswertung Ihr Vorgehen beim Aufbau und Justage des Setups. Beachten Sie: Zur Angabe absoluter Leistungswerte ist es notwendig zu wissen, bei welchem Verstärkungsfaktor die Messung aufgenommen wurde und welche Filter vor der Photodiode standen! Über die Taste Save (mit Druckersymbol) am Oszilloskop können Sie gleichzeitig einen Screenshot, eine Übersicht über die Einstellungen des Oszilloskops und die Zeit-Spannungskurven abspeichern. Benutzen Sie diese Funktion, um bei jeder Aufgabe die Messwerte abzuspeichern. Das Oszilloskop besitzt Quick Measurement -Funktionen, mit denen Sie automatisch Mittelwert, Pulsbreite, Pulsabstand usw. bestimmen können. Bei einigen Aufgaben nimmt Ihnen das Oszilloskop die meiste Arbeit ab! 5 Inbetriebnahme des Nd:YAG-Lasers In der ersten Hälfte des Versuchs soll der Nd:YAG-Laser aufgebaut werden. Dazu wird zuerst die Laserdiode justiert, und anschließend das Absorptionsverhalten des Nd:YAG-Kristalls untersucht. Danach wird der Resonator aufgebaut und die Laserdynamik erforscht. 5.1 Strahlformung Zu Beginn des Versuchs wird der Strahl aus der Laserdiode mit einer Sammellinse mit 6 mm Brennweite kollimiert. Dazu wird die Sammellinse in kleinem Abstand hinter die Laserdiode eingefügt. Als Abschluss der optischen Schiene dient der Detektorhalter samt Schirm mit Zielscheibe (siehe Abb. 1). Schalten Sie den Laser ein und wählen Sie als Pumpstrom 210 ma. Die Laserdiode wird nun knapp über ihrem Threshold betrieben. Bewegen Sie eine Fluoreszenzkarte entlang der optischen Schiene, und überprüfen Sie, wo der Strahl fokussiert wird. Bei optimalem Abstand zwischen Laserdiode und Kollimator liegt der Brennpunkt des Laserstrahls im Unendlichen. Der Strahl hat dann ein elliptisches Strahlprofil, welches sich entlang der optischen Achse nicht verändert. Für die Auswertung: Welche Form hat das Strahlprofil und was ist der Grund dafür? Durch welche Justagemöglichkeit können Sie den Strahl auf dem Schirm zentrieren? Laser Kollimator Schirm Abbildung 1: Kollimation des Laserstrahls 4

7 5.2 Kalibrierung der Leistungsmessung anhand der Laserdiode mit NG9 Filter Reduzieren Sie anschließend wieder den Pumpstrom auf 0 ma und stellen Sie den Filterhalter direkt hinter den Kollimator in den Strahlengang. Setzen Sie den Neutraldichtefilter NG9 in den Filterhalter ein. Entfernen Sie im Weiteren niemals den Neutraldichtefilter, da zu hohe Leistungen die Photodiode zerstören! Laser Kollimator Sammellinse Detektor NG9 Abbildung 2: Leistungsmessung mit Photodiode Fügen Sie die zweite Sammellinse mit 60 mm Brennweite hinter den Filterhalter in den Strahlengang ein. Nun wird die Lochblende im Detektorhalter entfernt und durch die Photodiode ersetzt (siehe Abb. 2). Die Photodiode wird an den Lasercontroller LDS 1200 bei Photodiode Input angeschlossen. An Photodiode Output wird Kanal 2 des Oszilloskops angeschlossen. Stellen Sie die Verstärkung des Lasercontrollers so ein, dass ein möglichst großer Messbereich des Oszilloskops ausgenutzt wird. Schalten Sie die Laserdiode nun wieder ein, und erhöhen Sie den Pumpstrom auf 210 ma. Schieben Sie den Detektor ausgehend vom hinteren Ende der optischen Schiene auf den Fokus des Laserstrahls zu, und beobachten Sie die gemessene Spannung am Oszilloskop. Schieben Sie den Detektor soweit bis die angezeigte Spannung maximal ist. Die Position des Detektors entspricht ungefähr der Brennebene der Sammellinse, weswegen es unabdingbar ist, dass die Photodiode durch den Neutraldichtefilter NG9 geschützt wird! Erhöhen Sie nun den Pumpstrom auf den maximalen Wert von 569 ma, und behalten Sie gleichzeitig die Spannungsanzeige im Auge. Sollte die Spannung während der Stromerhöhung nicht weiter ansteigen, haben Sie eventuell den falschen Filter gewählt. Fahren Sie in diesem Fall nicht fort, sondern verringern Sie sofort wieder den Strom auf 0 ma und fragen Sie Ihren Betreuer! Sollte dieser Fall nicht eintreten, können Sie planmäßig weitermachen. Aufgabe: Messen Sie in Abhängigkeit des Pumpstroms der Laserdiode die Spannung an der Photodiode. Sie können entweder manuell den Pumpstrom variieren, oder die Dreiecksmodulation einstellen. Bei der niedrigsten Spannung 5

8 an Kanal 1 fließt kein Pumpstrom, während zum Zeitpunkt der höchsten Spannung der von Ihnen eingestellte maximale Strom fließt. Dazwischen steigt der Pumpstrom linear an. Bei einem Pumpstrom von 569 ma emittiert die Laserdiode 450 mw. Aus dem maximalen Spannungssignal der Photodiode bei 569 ma und dieser Leistungsangabe können Sie die Spannungs-Leistungskurve kalibrieren. Stellen Sie nun beim Lasercontroller die Temperatur auf 10 C ein und schalten Sie die Modulation aus. Aufgabe: Messen Sie bei einem Pumpstrom in 1 C Schritten von 10 C bis 30 C das detektierte Signal, um auf die temperaturabhängige Leistung zu schließen. Messen Sie nicht über 30 C, da ansonsten die Lebensdauer der Laserdiode schnell abbaut. Stellen Sie nach dem Versuch die Temperatur wieder auf 25 C ein. Schalten Sie den Laser aus und entfernen Sie nun den Detektor und den Filterhalter wieder von der optischen Schiene. Schieben Sie die Sammellinse näher zum Kollimator, sodass nur etwa 1 cm Platz bleibt. Achten Sie darauf, dass am Ende der optischen Schiene ein Blech aufgestellt ist und keine brennbaren Gegenstände sich im Strahlengang befinden. Schalten Sie den Laser wieder ein und erhöhen Sie den Pumpstrom auf 350 ma. Achtung Verbrennungsgefahr! Nehmen Sie die bereitgestellte Pappe und bewegen Sie sie auf den Fokus zu. Im Fokus der Sammellinse ist die Leistungsdichte ausreichend, um die Pappe zu versengen. Anhand der leichten Rauchentwicklung und des Klimmens der Pappe können Sie den Fokus relativ genau bestimmen. Achtung: Die Labore sind mit Rauchmeldern ausgestattet. Vermeiden Sie wenn möglich die Rauchentwicklung und halten Sie die Pappe nicht länger als notwendig in den Fokus! 6

9 5.3 Messung der Lebensdauer und der spektralen Absorption des Nd:YAGs Schalten Sie den Laser wieder aus und positionieren Sie den Nd:YAG-Kristalls im Fokus hinter der Sammellinse. Die erste Seite hat eine hoch-reflektive Beschichtung für 1064 nm und eine Antireflexbeschichtung 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 ist für eine hohe Transmittivität bei 1064 nm und hohe Reflektivität bei 532 nm optimiert (reflektiert im Tageslicht rötlich) Direkt nach dem Kristall wird der Filterhalter samt RG1000 Filter (Transmssion für λ > 1000 nm) aufgestellt. Befestigen Sie nach dem Filter die Photodiode auf der optischen Schiene (siehe Abb. 3). Laser Kollimator RG1000 Detektor Sammellinse Nd:YAG Kristall (NG9) Abbildung 3: Messung der Lebensdauer und der Absorption von Nd:YAG. Schalten Sie den Laser ein und erhöhen Sie den Pumpstrom auf 350 ma. Wählen Sie beim Lasercontroller Modulation Rechteck, niedrigste Frequenz und Modulation On aus. Sie Sollten nun auf dem Bildschirm des Oszilloskops das Modulationssignal und das optische Signal sehen. Wenn das optische Signal übersteuert, können Sie den NG9 Filter einsetzen, um es abzuschwächen. Bewegen Sie den Kristall entlang der optischen Schiene, um ihn möglichst im Brennpunkt der Sammellinse zu positionieren. Sie sollten die typische Lade-/Entlade Kurve eines Kondensators sehen! Abbildung 4: Exemplarische Messung der Lebensdauer von Nd:YAG. 7

10 Aufgabe: Speichern Sie die Oszilloskop-Daten ab, um später die Lebensdauer des angeregten Zustands daraus bestimmen zu können. Stellen Sie nun beim Lasercontroller die Temperatur auf 10 ein und schalten Sie die Modulation aus. Aufgabe: Messen Sie beim gleichen Pumpstrom wie zuvor in 1 C Schritten von 10 C bis 30 C das detektierte Signal, um auf die spektrale Abhängigkeit der Absorption des Nd:YAG Kristalls zu schließen. Stellen Sie nach dem Versuch die Temperatur wieder auf 25 C ein. 8

11 5.4 Justage des Nd:YAG-Kristalls und des Auskoppelspiegels OC100 Tauschen Sie den Nd:YAG-Kristall durch die Lochblende aus. Stellen Sie im Abstand von etwa 5 cm hinter der Lochblende den Nd:YAG-Kristall verkehrt herum in den Strahlengang, sodass die Justierschrauben von der Laserdiode wegschauen (siehe Abb. 5). Schalten Sie den Laser wieder ein, und erhöhen Sie den Pumpstrom auf 210 ma. Der Laserstrahl wird am Nd:YAG-Kristall reflektiert und trifft von hinten wieder auf die Lochblende. Mit einer Fluoreszenzkarte können Sie den Laserstrahl verfolgen. Benutzen Sie die beiden Justierschrauben des Kristalls, damit der Rückreflex wieder zentriert auf die Lochblende trifft. Sollte der reflektierte Strahl zu schwach, also kaum sichtbar, sein, können Sie den Pumpstrom weiter erhöhen, beachten Sie aber, dass Verbrennungsgefahr bei hohen Strömen besteht und die Fluoreszenzkarten dauerhaft ausbleichen! Laser Kollimator Lochblende Sammellinse Nd:YAG Kristall Abbildung 5: Justage des Nd:YAG Kristalls. Schalten Sie den Laser aus und tauschen Sie den Halter samt Nd:YAG- Kristall durch den Auskoppelspiegel OC100 im dafür vorgesehenen Halter aus. Verdrehen Sie dabei nicht die Justierschrauben! Schalten Sie den Laser ein, und justieren Sie nun den Auskoppelspiegel auf die gleiche Weise, wie den Nd:YAG- Kristall. Der Auskoppelspiegel wird richtig herum in den Strahlengang gestellt, wobei auch hier die Schrauben von der Laserdiode wegzeigen (siehe Abb. 6). Wenn Sie den Auskoppelspiegel justiert haben, schalten Sie den Laser wieder aus. Laser Kollimator Lochblende Sammellinse OC100 Spiegel Abbildung 6: Justage des Auskoppelspiegels. 9

12 5.5 Entfernen der Lochblende und Positionierung des Kristalls im Fokus der Laserdiode Nachdem die beiden Spiegel der Kavität justiert wurden, können Sie nun den Resonator aufbauen. Tauschen Sie die Lochblende durch den Nd:YAG -Kristall aus, setzen Sie also den Nd:YAG-Kristall wieder in die Brennebene hinter der Sammellinse. Platzieren Sie dahinter in einem Abstand von ca. 5 cm den Auskoppelspiegel. Die Justierschrauben beider Elemente befinden sich außerhalb des Resonators und zeigen nach Außen. Stellen Sie am Ende der optischen Schiene den Detektor auf und davor den Filterhalter mit RG1000 und NG9 Filter (siehe Abb. 7). Wählen Sie beim Lasercontroller als Verstärkung 500 aus und erhöhen Sie den Pumpstrom auf 350 ma. Nun sollten Sie nicht mehr die Lade- /Entladekurve sehen, sondern Laseremission. Laser Kollimator Nd:YAG Kristall RG1000 Detektor Sammellinse OC100 Spiegel NG9 Abbildung 7: Messung der Emission des Lasers. Variieren Sie den Abstand und die Neigung der Spiegel, um das Signal am Ausgang zu optimieren. Eventuell müssen Sie auch die Fokusierlinse verschieben, oder die Position der Laserdiode in x-y-richtung verändern, um den Nd:YAG- Kristall in den Fokus des Strahls zu bringen. Beobachten Sie auch die emittierte Leistung mit den Fluoreszenzkarten. Wenn Sie der Meinung sind, dass der Laser optimal justiert ist, können Sie die Leistung verringen, um nahe an der Schwelle Laser-Spiking (siehe Abb. 8) zu beobachten. Abbildung 8: Exemplarische Messung von Laser-Spiking. 10

13 Aufgabe: Nehmen Sie ein Bild vom Laser-Spiking auf! Aufgabe: Messen Sie erneut das Signal der Photodiode in Abhängigkeit des Pumpstroms! Um eine quantitative Leistungsangabe machen zu können, muss der Detektor samt Filter so nahe an den Resonator geschoben werden, bis das Signal der Photodiode nicht weiter zunimmt. Aufgabe: Verkippen Sie den Auskoppelspiegel, um höhere transversale Moden anzuregen. Zeigen Sie Ihre Ergebnisse dem Betreuer und dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen in der Auswertung (mit Skizze der Transversalmoden)! 11

14 5.6 Passive Güteschaltung Schalten Sie den Laser aus und setzen Sie in den Resonator den Cr:YAG-Kristall ( PART 11 ) ein. Der Cr:YAG-Kristall sollte sich möglichst nahe am Nd:YAG Kristall befinden (siehe Abb. 9). Schalten Sie den Laser ein, und erhöhen Sie den Pumpstrom auf 400 ma. Wählen Sie die Rechtecksmodulation bei niedrigster Frequenz aus. Anstatt eines kontinuierlichen Signals sollten Sie nun ein gepulstes sehen. Durch nachjustieren des Cr:YAG-Kristalls und des Resonators können Sie die Anzahl der Spitzen innerhalb einer Modulationsperiode erhöhen. Bestimmen Sie nun die Repititionsrate des Lasers, also die Frequenz mit der die Spitzen auftreten für verschiedene Pumpstöme, um die Abhängigkeit der Repititionsrate vom Pumpstrom zu bestimmen. Sie können sich der Quick Measurement -Funktion des Oszilloskops bedienen. Gute Ergebnisse erhalten Sie, wenn Sie das Oszilloskop auf Single Shot stellen und die Zeitachse so skalieren, dass nur die Spitzen sichtbar sind. Drücken Sie mehrmals auf Single Shot und schätzen Sie aus den einzelnen Messwerten die ungefähre Repititionsrate ab. Aufgabe: Bestimmen Sie die Repititionsrate in Abhängigkeit des Pumpstroms! Aufgabe: Bestimmen Sie die Pulslänge für einen Pumpstrom! Laser Kollimator Nd:YAG Kristall RG1000 Detektor Sammellinse Cr:YAG Kristall OC100 Spiegel NG9 Abbildung 9: Pulserzeugung durch Güteschaltung. 12

15 5.7 Frequenzverdoppelung Schalten Sie den Laser aus und setzen Sie in die Kavität den KTP-Kristall ein. Der Kristall sollte nur wenige Milimeter vom Nd:YAG-Kristall entfernt sein. Tauschen Sie die beiden Filter RG1000 und NG9 durch den Filter BG39 aus (siehe Abb. 10). Durch diesen kann nur Licht bei λ = 532 nm transmittiert werden. Schalten Sie den Laser wieder ein, und erhöhen Sie den Pumpstrom auf 350 ma. Justieren Sie erneut die Kavität, damit die emittierte Leistung maximal wird. Eventuell müssen Sie den Abstand der Resonatorspiegel verändern. Durch Drehen des KTP-Kristalls können Sie die Leistung am Ausgang weiter maximieren. Aufgabe: Messen Sie das Signal an der Photodiode in Abhängigkeit des Pumpstroms. Aufgabe: Versuchen Sie auch hier höhere transversale Moden anzuregen, indem Sie den Resonator verkippen und den KTP-Kristall drehen! Zeigen Sie Ihre Ergebnisse dem Betreuer, und erstellen Sie eine Skizze für die Auswertung! Laser Kollimator Nd:YAG Kristall RG1000 Detektor Sammellinse KTP Kristall OC100 Spiegel NG9 Abbildung 10: Erzeugung der zweiten Harmonischen. 13