Fortgeschrittenenpraktikum für Lehramt Superstrahler und Mikrostrukturierung. KIT - Karlsruher Institut für Technologie

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1 Fortgeschrittenenpraktikum für Lehramt Superstrahler und Mikrostrukturierung KIT - Karlsruher Institut für Technologie 1

2 Einleitung In diesem Praktikumsversuch sollen Sie zunächst einen Superstrahler (im Grunde ein UV Sticksto-Laser) bauen, der im Wesentlichen aus nichts weiter als Haushaltsalufolie, Baumarkt-Metallplatten, ein paar Schrauben und Kopierfolie besteht. Schlieÿlich werden Sie einige seiner Eigenschaften untersuchen. Dieses Modell kann z.b. auch für den Unterricht sehr leicht aufgebaut werden. Anschlieÿend werden Sie ein fortgeschritteneres und erweitertes Modell kennenlernen, mit dem Sie schlieÿlich einen selbstgebauten Mini-Farbstoaser pumpen können. Im letzten Versuchsteil können Sie mit einer gewöhnlichen BluRay Laserdiode Bilder oder Schrift im Mikrometerbereich in Farbstolme auf Objektträgern strukturieren. Dieses direkte Schreiben von Mikrostrukturen ist nicht nur in der Technik (wie z.b. Chipherstellung), sondern auch in der Biologie oder Medizin (z.b. Laser-Hornhautkorrekturen) zu einem unentbehrlichen Verfahren geworden, das Ihnen dieser Versuch modellhaft näher bringen soll. Informationen zum Versuch im Schülerlabor (daher auf Schulniveau) nden Sie hier: Sicherheitshinweise: Verwenden Sie unbedingt die vorhandenen Laserschutzbrillen! Achten Sie auf die Hochspannung! Aufbau stets erden! Gehen Sie bitte mit den verwendeten Mess-Sensoren sehr vorsichtig um sie sind sehr empndlich und teuer! Hinweis: Die Aufgaben, die Sie im Text verteilt nden, dienen als Vorbereitung zum Versuch. Bringen Sie die Versuchsvorbereitung mit den bearbeiteten Fragen zum Versuchstermin mit. 1 LASER LASER bedeutet Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation. Wie Sie wissen, ist ein Laser dadurch gekennzeichnet, dass er monochromatisches, sehr kohärentes und intensives Licht aussendet, und eine geringe Divergenz besitzt. Aufgabe 1a: Erklären Sie allgemein, wie ein klassischer Laser aufgebaut ist bzw. funktioniert. Gehen Sie dazu auf folgende Begrie ein: - Resonator - Pumpen und Besetzungsinversion - Spontane und stimulierte Emission - Verstärkung Aufgabe 1b: Warum gibt es keinen 2-Niveau-Laser? 2 Der Superstrahler Der Superstrahler wird meist auch als Sticksto-Laser bezeichnet, obwohl er nach Meinung einiger Wissenschaftler im eigentlichen Sinne kein Laser ist, da er keinen Resonator besitzt. Der Sticksto der Luft (fast 80%) wird durch elektrisches Pumpen angeregt, bei 337,1 nm gibt es einen Laserübergang. Der Superstrahler ist selbstterminierend, d.h., die Laseraktivität stoppt nach jedem Pumpvorgang und nachfolgender Lasertätigkeit von selbst, daher funktioniert er nur im Pulsbetrieb. Die Hauptlinie des Stickstoasers liegt bei einer Wellenlänge von 337,1 nm und entsteht durch den Übergang vom oberen Laserniveau zum unteren Laserniveau, wie in Abb. 1 zu erkennen ist. Die Bezeichnungen B und C stehen dabei für die elektronischen Niveaus. Aufgabe 2a: Erklären Sie kurz die Funktionsweise des Superstrahlers im Sinne der Anregungsmechanismen. Betrachten Sie dazu das Energieniveauschema in Abb. 1. Betrachten Sie die Lebensdauern der einzelnen Niveaus warum ist der Laser selbstterminierend? 2

3 Abb. 1: Vereinfachtes und genaueres Energieschema des Stickstomoleküls 2.1 Die TEA-Variante (transverse electric discharge at atmospheric pressure) Diese Variante funktioniert ohne Atmosphärendruck und kann daher sehr einfach selbst aufgebaut werden. Meist wird dazu die sog. Blümleinschaltung verwendet. In Abb. 2a sehen Sie das Schaltbild, Abb. 2b zeigt den konkreten Bau. Für die folgende Aufgabe könnte auch die Animation auf der Seite hilfreich sein. Aufgabe 2b: Erklären Sie anhand der Skizzen kurz, wie die Blümleinschaltung arbeitet. Wie wird gepumpt und wie kommt es zur Laserstrahlung? Abb. 2a: Blümleinschaltung (H.V. = Hochspannung, C1, C2 = Kondensatoren, SG = Funkenstrecke, L = Spule oder Widerstand, LH = Laserelektroden) ACHTUNG: Bei allen folgenden Messungen unbedingt Schutzbrille tragen! Versuch 1a: Bauen Sie den TEA-Superstrahler wie in Abb. 2b auf und bringen Sie ihn zum Laufen! Achtung: Zeigen Sie den Aufbau erst einem Betreuer bevor Sie ihn einschalten! Machen Sie den Strahl mit dem Floureszenz-Schirm, weiÿem Papier oder stark verdünntem Bitter Lemon oder Tonic Water (Chinin) sichtbar. 3

4 Abb. 2b: Blümleinschaltung im konkreten Aufbau. Versuch 1b: Messen Sie die Pulsrate Ihres Lasers geben Sie sie in Hertz an. Versuch 1c: Messen Sie mit dem PIN-Photodiodendetektor (Thorlabs DET10A/M) und einem Oszilloskop die Pulsdauer des Lasers (für die Auswertung: Die Pulsdauer wird angegeben als Halbwertsbreite des Pulses FWHM = full width at half maximum). Können Sie sich jetzt vorstellen, warum ein einziger Laserpuls sehr gefährlich für das Auge ist? Versuch 1d : Messen Sie nun die Wellenlänge des Lasers mit Hilfe eines optischen Gitters in Form einer handelsüblichen CompactDisc aus. Platzieren Sie dazu das aus einer CD geschnittene und auf einen Halter geklebte Gitter in den Strahl (möglichst nah am Laserausgang). Nehmen Sie den PIN-Photodetektor aus dem vorherigen Versuch aus dem Stativ und schrauben Sie den Schirm mit aufgeklebtem kariertem Papier hinein. Zur Versuchsdurchführung: Messen Sie in 5 verschiedenen Abständen vom Gitter den jeweiligen Abstand zwischen nulltem und erstem Beugungsmaximum. Vergessen Sie nicht, auch den Abstand zwischen Gitter und Schirm zu vermessen. Berechnen Sie mit der Gittergleichung nun die Wellenlänge des Lasers (Fehlerrechnung in der Auswertung nicht vergessen!). Nehmen Sie dazu an, dass das CD-Gitter 625 Linien/mm besitzt. 2.2 TE-Variante zum Pumpen des einfachsten Farbstoasers der Welt Der TE-Superstrahler (transverse electric discharge) ist sozusagen der groÿe Bruder des TEA mit verbesserter optischer Ausgangsleistung. Die TE-Variante läuft bei erniedrigtem Druck der Laser im Praktikum erreicht bei etwa 50mbar die höchste Leistung. Bei höherem Druck gibt es viele Stöÿe, die einen Teil der N2-Moleküle wieder abregen, bevor sie zur Laserstrahlung beitragen. Bei zu niedrigem Druck sind schlichtweg zu wenige Stickstomoleküle vorhanden, die zur Lasertätigkeit beitragen können und die Leistung sinkt. Da man für die TE-Variante eine evakuierbare Laserkammer benötigt, kann man dies nutzen, um reinen Sticksto einzuleiten, der die Leistung noch weiter ansteigen lässt. Auÿerdem werden nun statt der Plattenkondensatoren hochspannungsfeste Keramikkondensatoren verwendet (weniger wartungsintensiv). Laser dieses Typs waren in früheren Zeiten die einzigen verfügbaren Laser im UV-Bereich und fanden auch als Pumplaser für Farbstoaser ihren Einsatz. Im folgenden können Sie einen Mini-Farbstoaser bauen, indem Sie den TE-Superstrahler durch eine konvexe Quarzlinse fokussieren und den Fokus auf eine Pipette richten, wie in Abb. 2c skizziert. Wichtig ist, dass Sie die Pipette genau in den Fokus der Linse halten, wo die gröÿtmögliche Leistungsdichte herrscht. Der Farbsto wird dann angeregt und der sichtbare Strahl des Farbstoasers wird auf dem Schirm beobachtbar. Der Tropfen, der an der Pipette hängt, wirkt wie eine sehr einfache Linse. Man kann auch den Tropfen in den Fokus halten - einfach etwas rumprobieren. Sie können natürlich trotzdem keinen sauber kollimierten Spot erwarten, aber es ist gut erkennbar, wann Laseraktivität herrscht und wann nicht. Abb. 2c: Pumpen des Tropfen-Farbstoasers Versuch 2a: Bauen Sie ihren eigenen Mini-Farbstoaser und gehen Sie folgendermaÿen vor: 4

5 Verwenden Sie als aktiven Laserfarbsto das vorhandene in Ethanol gelöste Rhodamin (bitte Laborhandschuhe verwenden). Sie können alternativ auch in destilliertem Wasser gelöstes Fluoreszin ausprobieren (nur eine kleine Spatelspitze in einer Küvette mit Wasser) - siehe auch Hinweis unten. Ziehen Sie nun etwas Farbsto in eine vorhandene Pipette ein und versuchen Sie, einen hängenden Tropfen am Pipettenende zu bekommen. Halten Sie nun die Pipette in den Laserfokus (Brennweite der Linse: 50mm). Achtung: Schutzbrille für den UV-Laser aufsetzen! Der Farbstoaser ist so schwach und divergent, dass Sie dafür keinen Schutzlter benötigen, der UV-Laser ist jedoch gefährlich für die Augen. Aufgabe 2c: Wie kommt im Farbsto die Lasertätigkeit zustande? Hinweis: Fluoreszin ist eine für die Gesundheit weitgehend unbedenkliche Chemikalie (kann etwas reizend wirken, man sollte es z.b. nicht unbedingt in die Augen bekommen) und daher potentiell auch für den Einsatz im Unterricht geeignet. Noch beeindruckender ist es, einen gewöhnlichen gelben Textmarker zu verwenden (enthält meist Floureszin als Leuchtfarbsto). Man kann einfach die Flüssigkeit aus dem Stift in die Küvette füllen und direkt als Lasermedium verwenden, das funktioniert sehr gut (siehe Wenn Sie möchten, können Sie zum Versuch einen Textmarker mitbringen und es ausprobieren (der ist allerdings hinterher nicht mehr zu gebrauchen). 3 Mikrostrukturierung Um zu verstehen, wie man mit Lasern Materialien strukturieren kann, muss man zunächst wissen, welche Wechselwirkungen zwischen Laserlicht und der zu strukturierenden Materie stattnden. Es gibt rein thermische Wechselwirkungen (also im Grunde reines Erhitzen), wie z.b. Laserschweiÿen mit groÿen CO2 Industrielasern oder Laserkoagulation, d.h. das Veröden von Blutgefäÿen zur Blutstillung bei Operationen. Wir beschäftigen uns in diesem Versuch mit der sog. Laserablation, d.h. dem Abtragen von Material mit Hilfe eines Lasers, in unserem Fall einer 405nm BluRay-Laserdiode. Diese Wellenlänge ist schon sehr nah am UV-Bereich und wird sehr gut absorbiert. Zudem sind BluRay Laserdioden mittlerweile sehr preisgünstig aber leistungsstark. Unsere Diode besitzt eine Leistung von 100mW! Die Schutzabdeckung muss also während des Betriebs unbedingt geschlossen sein, bei oener Abdeckung darf nur mit der vorhandenen Schutzbrille gearbeitet werden! Aufgabe 3a: Eine sehr gängige und bekannte medizinische Anwendung der Laserablation mit Hilfe von UV-Lasern ist die Hornhautkorrektur bei Fehlsichtigkeit (z.b. LASIK-Verfahren). Beschreiben Sie kurz, wie das funktioniert. Warum wird hier Laserlicht im UV-Bereich eingesetzt? Aufgabe 3b: Tätowierungen können mit Lasern entfernt werden, wobei die unter der Haut deponierten Farbpigmente soweit zerkleinert werden, damit sie von der körpereigenen Abwehr abgebaut werden können. Können Sie sich vorstellen, warum man dazu keine UV-Laser verwendet, sondern welche im sichtbaren (z.b. Rubinlaser) oder infraroten (Neodym-YAG-Laser) Spektralbereich? Aufgabe 3c: Die Laserbeschriftung beispielsweise von Bauteilen oder EC- und Kreditkarten ist die häugste industrielle Anwendung von Lasern. Informieren Sie sich darüber, welche Materialien mit Lasern beschriftet werden können und welche Verfahren es gibt. Geben Sie einige Beispiele an. Im Folgenden sollen Sie selbst Mikrostrukturen durch Laserablation (Abtragung) herstellen. Sie können dazu einfach Edding-Farbsto verwenden, den Sie auf einen gewöhnlichen Glasobjektträger auftragen. Dazu muss der Laserstrahl sehr stark auf die Farbschicht fokussiert werden. Abb. 3a zeigt den Aufbau. 5

6 Abb. 3a: Aufbau des Mikrostrukturierungsversuchs Der Objektträger wird in die Halterung (1) eingespannt, die am Positioniertisch (2) angebracht ist. Das BluRay- Laserdiodenmodul besitzt einen eigenen Kollimator zur Fokussierung, den Sie nicht verstellen sollten. Das Modul sitzt in einem Kühlrippengehäuse (3), seine Position kann mit einer Mikrometerschraube (4) so positioniert werden, dass sich die Probe optimal im Fokus bendet. In der Regel ist die Position optimal eingestellt, Sie sollten jedoch zunächst eine einfache Testgur strukturieren und ggf. nachjustieren. Die Laserdiode muss ständig ausreichend gekühlt werden, dies bewirkt ein Lüfter (5), der auf das Kühlgehäuse gerichtet ist. Schalten Sie den Lüfter während des Betriebs auf keinen Fall aus! Fehlende Kühlung wirkt sich sehr schnell tödlich auf die Laserdiode aus. Die anderen im Bild sichtbaren Komponenten gehören zu einem anderen Aufbau und sollen unberücksichtigt bleiben. Um eine Graphik oder einen Schriftzug zu erstellen, können Sie die Software verwenden, deren Benutzeroberäche in Abb. 3b gezeigt ist. Fahren Sie die Motoren vor Beginn in die HOME-Position. Es wird dann die Position (0/0) in der Mitte des Rasters angefahren und die Absolutkoordinaten der Software dadurch so festgelegt, dass Sie mit den Rasterkoordinaten übereinstimmen. Schalten Sie das Netzgerät an. Der Lüfter startet automatisch, die Spannung an der Laserdiode darf 9V nicht übersteigen! Der Stromkreis für die Laserdiode wird durch den Sicherheitsschalter am Schutzgehäuse unterbrochen, sodass der Betrieb nur bei geschlossener Abdeckung und damit geschlossenem Schalter möglich ist. Die Steuerung erfolgt über die Tastatur (NICHT durch Anklicken!) - die auf den Pfeilen abgebildeten Tasten führen die Bewegungen in die entsprechenden angezeigten Richtungen aus Die Ansicht im Raster muss mit der ENTER-Taste aktualisiert werden Denken Sie daran, dass Sie die Laserdiode abschalten müssen, wenn Sie eine Unterbrechung in Ihrem Schriftzug haben. Dies können Sie am einfachsten durch Herunterregeln der Strombegrenzung am Netzgerät erreichen. 6

7 Abb. 3b: Software zur Steuerung des Positioniertisches Versuch 3a: Bestimmung der Bestrahlungsstärke Eine wichtige Gröÿe in der Laserstrukturierung ist die Bestrahlungsstärke, das ist die Leistung, die pro Fläche auf der Probe deponiert wird. Sie wird in W/cm² angegeben. Bestimmen Sie nun die Bestrahlungsstärke für Ihr System Sie müssen dazu die Leistung der Laserdiode wissen sowie die Gröÿe des Laserspots auf der Probe. Leistung: Messen Sie mit dem Energiemessgerät + Sensor die mittlere Laserleistung und betrachten Sie Fehler. Sie können den Sensor direkt in den Strahl halten. Spotgröÿe: Legen Sie eine Probe (Edding-Strich auf Objektträger) auf den Probentisch und feuern einen Laserschuss darauf (kurzes betätigen des Schalters). Messen Sie nun unter dem Mikroskop die Spotgröÿe aus. Berechnen Sie dann daraus die Bestrahlungsstärke. Versuch 3b: Erstellen Sie eine Mikrostruktur in Form eines Schriftzuges oder einer Graphik. 7