Black Box wird. Bitte in dem Kasten nichts verstellen!

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1 1 Laser Wir wollen in diesem Versuch Cäsium spektroskopisch untersuchen. Um Spektroskopieexperimente durchführen zu können, brauchen wir eine Lichtquelle. Dafür ist ein Halbleiterlaser bestens geeignet. Die Hauptanregung von Cäsium, die sog. D 2 -Linie, liegt bei 852 nm. Wir benutzen daher einen Diodenlaser, der diese Wellenlänge liefert. In diesem ersten Abschnitt wollen wir die Eigenschaften der Laserdiode und der zur Messung verwendeten Photodioden kennenlernen. 1.1 Physik des Lasers Die Funktionsweise eines Lasers wird in den meisten Atomphysikbüchern beschrieben. Informiert euch auch über die Funktionsweise des Halbleiterlaser! Man findet dies z. B. in: [Hak-Wol] Kapitel 21 Laser, [Kneu] unter anderem Kapitel 14 Halbleiterlaser, [May-Kuck] Abschnitt 10.3 Maser und Laser [Dem] Abschnitt Halbleiterlaser, [Winn], [Dem 3] Kapitel 8 Laser [Mesch] Kapitel 7 Laser Internet: Sehr anschaulich mit Applets zum Angreifen : Aufbau Aufbau des Lasersystem Die folgende Beschreibung des Lasersystems soll erklären, was in dem schwarzen Kasten in der einen Ecke des optischen Tisches aufgebaut ist, damit dieses nicht zur Black Box wird. Bitte in dem Kasten nichts verstellen! Das Lasersystem, in Abb. 1.1 skizziert, befindet sich in einem geschlossenen Kasten in einer Ecke des optischen Tisches. Es besteht aus einer Laserdiode, einem Kollimator, einem Prisma, einem optischen Isolator, einem λ/2-plättchen, einer Single-mode-Faser und einem VCO-System (VCO = Voltage Controlled Oscillator). Das divergente Licht aus der DBR-Laserdiode (DBR = Distributed Bragg Reflector) wird durch einen Kollimator (Objektiv) gebündelt. Um die elliptische Form des Strahls zu korrigieren, wird der Strahl in der horizontalen Achse durch ein Prisma komprimiert, bleibt aber in der vertikalen unverändert. Man erhält dadurch einen runden Strahlquerschnitt. Anschließend durchläuft der 1

2 1 LASER Abbildung 1.1: Der Aufbau des Lasersystems Abbildung 1.2: Die Stromversorgung der Laserdiode Strahl einen optischen Isolator, der den Diodenlaser vor Reflexionen schützt. Die Funktionsweise des Isolators basiert auf dem Faraday-Effekt. Danach wird der Strahl in eine Single-mode-Faser eingekoppelt. Die Stromversorgung der Laserdiode (Abb. 1.2) besteht aus einer hochstabilen spannungsgeregelten Stromquelle. Dieser Injektionsstrom ist über das Drehpotentiometer ( current adjust ) zwischen 0 und 40 ma einstellbar und kann auf einer Digitalanzeige abgele- 2

3 1.2 Aufbau Abbildung 1.3: Temperaturregelung der Laserdiode sen werden. Der Einschub hat einen Modulationseingang ( modulation in ), den man über einen Kippschalter ( on-off ) aktiviert und über den man dem Strom verschiedene Signale aufmodulieren kann. Die Temperaturregelung (Abb. 1.3) steuert über die Spannung an einem Peltier-Element die Laserdiode auf eine vorgegebene Temperatur. Dabei wird durch eine Elektronik ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC = Negative Temperature Coefficient Termistor) an der Laserdiode mit einem einstellbaren Referenzwiderstand verglichen. Die Temperatur am Laser wird dabei so geregelt, dass der NTC-Widerstand und der einstellbare Referenzwiderstand gleich groß sind. Die Grobeinstellung des Referenzwiderstands erfolgt an einem Drehknopf und die Feineinstellung an einem Drehpotentiometer (siehe Abb. 1.3). Über den Modulationseingang ( MOD IN ) kann man auch der Temperatur ein Signal aufmodulieren. Die Temperaturregelung ist jedoch träge. Daher sollte man für die Temperaturmodulation niedrige Frequenzen wählen. Der ON/OFF-Schalter schaltet die gesamte Temperaturregelung aus im Gegensatz zu dem ON/OFF-Schalter an der Stromregelung, mit dem man die Modulation an- und ausschalten kann. Mit der Temperaturmodulation kann man die Frequenz über eine Größenordnung von GHz durchfahren Die Optik Für die Experimente stehen verschiedene optische Instrumente zur Verfügung: Spiegel 3

4 1 LASER Abbildung 1.4: Die Optik Abschwächer Strahlteiler λ/2 Plättchen λ/4 Plättchen Photodioden schnelle Photodiode PBS (polarizing beam splitter) Linse (zum Fokussieren des Strahls auf eine Photodiode) Bitte geht mit den optischen Instrumenten sowie mit den Laserschutzbrillen sorgsam um. Testfragen: Der Laser Ist Lasertätigkeit mit einem Zwei-Niveau-Atom möglich? Wie funktioniert ein Halbleiterlaser? Was ist die Laserschwelle? Wie kann man die Frequenz des Lasers variieren? In welchem Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt die verwendete Laserfrequenz? Man hat eine Photodiode, einen Widerstand und ein Messgerät. Wie misst man den durch das Licht erzeugten Strom? 4

5 1.3 Durchführung 1.3 Durchführung Hinweis für den Betreuer: Damit die Laserdiode keinen Spannungsstoß erhält und dabei beschädigt wird, ist es wichtig, beim Einschalten den Erdungsschalter der Laserdiode selbst als letztes umzuschalten und danach erst den Injektionsstrom hochzudrehen. Hinter dem Lasersystem stehen ein λ/2-plättchen und ein PBS (polarizing beam splitter), welche wir hier als variable Strahlweiche benutzen. Das Lasersystem liefert linear polarisiertes Licht. Über das λ/2 Plättchen kann man die Polarisationsrichtung dieses Lichtes drehen. Der PBS lässt Licht der horizontalen Polarisationsrichtung durch, während er dazu senkrechte Komponenten zur Seite spiegelt. Stellt das λ/2 Plättchen so ein, dass maximale Intensität gerade durch den PBS geht. Den Resonator verwenden wir in diesem Versuchsteil noch nicht, er benötigt deshalb auch keinen Strahl. Aufgaben: Der Laser Bestimme die Laserschwelle (zunächst grob) mit der IR- Karte! (1.3.1) Nimm eine Leistung-Strom-Kennlinie für die 3 möglichen Widerstände der Photodiode auf und kalibriere die Achsen! (1.3.2) Bestimme I PD I L P P Dmax. (1.3.3), P L I L und die Maximalleistung der Photodiode Wie ändert sich die Laserleistung mit der Temperatur? (1.3.4) Laserschwelle bestimmen Ab welcher Stromstärke fängt die Laserdiode an zu lasern? Da wir das Laserlicht nicht direkt sehen können, es ist infrarot, brauchen wir Sensoren um es nachzuweisen. Dazu steht eine IR-Karte zur Verfügung. Man kann Reflexionen von infrarotem (und sichtbarem) Licht auch mit der CCD-Kamera auf dem kleinen Monitor abbilden. Die Kamera eignet sich deshalb gut zum Justieren des Strahls z. B. auf eine Photodiode Leistung-Strom-Kennlinie Um eine Leistung-Strom-Kennlinie aufzunehmen, verwenden wir eine passive Photodiode (siehe Abb. 1.6). Diese wollen wir für die 3 möglichen Widerstände eichen. Dazu ist zu messen, wie sich die Photodiodenleistung ( U PD bei konst. R PD ) in Abhängigkeit des 5

6 1 LASER Abbildung 1.5: Erste Messung mit der Photodiode Abbildung 1.6: Schaltbild der passiven Photodiode mit 10kΩ, 1kΩ und 50Ω Widerständen 6

7 Kurzerklärungen Abbildung 1.7: Der Frequenzgenerator Laserstroms verhält. Es gibt verschiedene Möglichkeiten: Bei der einfacheren verändert man den Laserdiodenstrom manuell und liest die entsprechenden U PD -Werte am Oszilloskop ab. Daraus ist dann ein P PD (I L )-Diagramm zu erstellen. Man kann jedoch auch den Laserstrom verändern, indem man ihm mit dem Frequenzgenerator (Abb. 1.7) eine Rampe aufmoduliert. Bei dieser Methode kann man allerdings die Stromstärke nicht an der Digitalanzeige der LD-Stromversorgung (Abb. 1.2) ablesen. Der Laserdiodenstromhub pro Spannungsänderung des aufmodulierten Signals ist als Umrechnungsfaktor zu bestimmen. Verlaufen Strom und Spannung linear? Macht euch vorher mit dem Oszilloskop vertraut (Cursorfunktion, Speicherfunktion,...) Leistung der Photodiode Aus der Leistung-Strom-Kennlinie ist I PD I L zu ermitteln. Die Empfindlichkeit der Photodiode ist in Abb. 1.8 abzulesen und damit P L I L zu bestimmen. Aus der Sättigungsspannung der Photodiode kann man die Maximalleistung der Photodiode ausrechnen Temperatur Wie ändert sich die Laserleistung mit der Temperatur? Variiere die Temperatur (Abb. 1.3) und beobachte das PD-Signal! Kurzerklärungen λ/2 Plättchen Ein λ/2 Plättchen ist ein optisches Element, mit dem man die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht drehen kann. Die Funktionsweise beruht 7

8 Abbildung 1.8: Photodiodenempfindlichkeit auf dem Effekt der Doppelbrechung. Angenommen, man strahlt mit linear polarisiertem Licht auf ein λ/2 Plättchen unter dem Winkel φ zur optischen Achse des λ/2 Plättchens. Dann ist das Licht nach dem Plättchen um φ gedreht, d. h. erscheint unter einem Winkel von 2φ bezüglich der optischen Achse des λ/2 Plättchens. Der Grund hierfür ist die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Komponente, die parallel zur optischen Achse polarisiert ist, und der Komponente senkrecht dazu. Bei einem λ/2 Plättchen ist der Phasenunterschied zwischen diesen beiden Komponenten π. λ/4 Plättchen Mit einem λ/4 Plättchen kann man aus linear polarisiertem Licht elliptisches machen und umgekehrt. Die relative Phasenverschiebung zwischen der orthogonalen und parallelen Komponente bezüglich der optischen Achse des λ/4 Plättchens ist π/2. Wenn man mit linear polarisiertem Licht unter 45 zur optischen Achse des λ/4 Plättchen auf das λ/4 Plättchen strahlt, erhält man hinter dem Plättchen zirkular polarisiertes Licht. PBS Ein PBS (polarizing beam splitter) besteht aus zwei Glasprismen, die über eine dielektrische Schicht miteinander verbunden sind. Der PBS lässt Licht der horizontalen Polarisationsrichtung durch, während er dazu senkrechte Komponenten zur Seite spiegelt. Faraday-Effekt Darunter versteht man die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht durch ein homogenes Magnetfeld. Optisch aktive Substanzen drehen die Polarisationsrichtung, wenn sie parallel zum Ausbreitungsvektor k von einem Magnetfeld (bzw. einer Magnetfeldkomponente) H durchsetzt werden. Für den 8

9 Kurzerklärungen Drehwinkel α gilt: α = V lh (1.1) wobei l die durchstrahlte Schichtdicke und V die Verdetsche Konstante ist, ein von der Wellenlänge abhängiger Materialparameter. Der Drehwinkel wechselt das Vorzeichen, wenn das Magnetfeld umgepolt wird. Optischer Isolator Der optische Isolator (s. Abb. 1.9) setzt sich aus einem Polarisator, einem Faraday-Dreher (siehe Faraday-Effekt) und einem Analysator zusammen. Die vom Polarisator vorgegebene Polarisationsebene wird durch den Faraday-Dreher vom Polarisator aus gesehen um 45 gegen den Uhrzeigersinn gedreht und durchläuft den Analysator ohne Verluste. Rückreflexe hingegen werden erst vom Analysator polarisiert, durchlaufen den Faraday-Dreher und werden im gleichen Drehsinn vom Polarisator aus gesehen wieder um 45 gedreht, d. h. die Polarisationsebene der Rückreflexe ist um 90 gegenüber der der Durchlassrichtung des Polarisators gedreht. Der rücklaufende Strahl wird daher ausgelöscht. Abbildung 1.9: Optischer Isolator Single-Mode-Faser Ein Lichtwellenleiter besteht aus einem Kern mit Brechungsindex n 1 und einem Mantel mit Brechungsindex n 2 < n 1 (s. Abb. 1.10). Das Prinzip der Faser beruht auf der Totalreflexion von Licht an dem Mantel. Bei der Single-mode- Faser hat der Kern einen Durchmesser von einigen µm, so dass sich nur Licht einer transversalen Mode ausbreiten kann. Oszilloskop Können mit einem analogen Oszilloskop (AO) nur periodische Signale sichtbar gemacht werden, so kann ein digitales Speicheroszilloskop (DSO) auch für die Anzeige und Speicherung transienter(= vergänglich, vorübergehend) Signale verwendet Abbildung 1.10: Aufbau eines Wellenleiters 9

10 werden. Durch die erweiterten Funktionen des DSO sind dessen Einsatzmöglichkeiten erheblich vergrößert, allerdings um den Preis zusätzlicher Probleme und Fehlermöglichkeiten, die das AO aufgrund seines einfacheren technischen Prinzips nicht besitzt. Ein Vergleich zwischen digitalen und analogen Ozilloskopen befindet sich auf Seite Das Oszilloskop hat viele Funktionen wie Cursor, Speicher, Drucken,...; die der Assistent erklären kann. Die Bedienungsanleitung für das Oszilloskop Tektronix TDS 210 ist auf der Versuchshomepage hinterlegt. 10

11 LITERATUR Literatur [Davis] C. C. Davis, Lasers and Electro-Optics: Fundamentals and Engineering, Cambridge University Press (1995). [Dem] W. Demtröder Laserspektroskopie, Springer-Verlag, 4.Auflage (2000). 1.1 [Dem 3] W. Demtröder Experimentalphysik 3, Atome, Moleküle und Festkörper, Springer- Verlag, 2.Auflage (2000) 1.1 [Gerth] C. Gerthsen, H. Vogel Physik, Springer-Verlag, 18.Auflage (1995) [Hak-Wol] H. Haken, H. C. Wolf Atom- und Quantenphysik, Springer-Verlag, 7. Auflage (2000) 1.1 [Hecht] E. Hecht Optik, Addison-Wesley (1994) [Kneu] F.K. Kneubühl, M.W. Sigrist Laser, Teubner Studienbücher Physik (1999) 1.1 [May-Kuck] T. Mayer-Kuckuk Atomphysik, Teubner Studienbücher Physik (1985) 1.1 [Mesch] D. Meschede Optik, Licht und Laser, Teubner Studienbücher Physik (1999). 1.1 [Sieg] Siegmann Laser, University Science Books (1986) [Winn] A. A. Winnacker Physik von Maser und Laser, BI, Mannheim (1984)