Praktikum Lasertechnik, Protokoll Versuch Nd:YAG

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1 Praktikum Lasertechnik, Protokoll Versuch Nd:YAG Ort: Laserlabor der Fachhochschule Aachen Campus Jülich Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Fragen zur Vorbereitung 2 3 Geräteliste 2 4 Versuchsaufbau 3 5 Justieren des Laseroszillators 3 6 Justieren des Verstärkers 5 7 Einfluss der Parameter Verzögerungszeit Verstärkerspannung Justieren des Frequenzverdopplung 7 1

2 2 Protokoll Versuch Nd:YAG 1 Einleitung Dieser Versuch beschreibt das Vorgehen mit einem blitzlampengepumpten Laser anhand eines Nd:YAG-Lasers mit einer Energie von 500 mj/puls. Laseroszillator und Verstärker werden justiert, optimiert und anhand verschienedener Parameter beeinflusst. Außerdem wird mit einem nichtlinearen, hier DCDA-Kristall die Frequenzverdopplung dieses Lasers nachgewiesen. 2 Fragen zur Vorbereitung 1. Der Nd:YAG-Laser hat seinen Namen vom Seltene-Erde-Element Neodym, welches als dreiwertiges Ion in einem Yttrium-Aluminium-Granatkristall sitzt. 2. Der betrachtete Laser wird mit einer Blitzlampe gepumpt, dessen übertragbare Energie durch die Oszillatorspannung variiert werden kann. 3. Eine weitere Anregungsart besteht in der Verwendung von Halbleiterlasern. 4. Diese traten zwar historisch später auf, verschwenden jedoch kein breites, da ungenutztes Spektrum. Das Absorptionsspektrums eines Nd:YAG-Kristalls liegt bei 808 nm. Mit einem Wirkungsgrad von % liegt der Wirkungsgrad bei Anregung durch Halbleiterlaser zehnmal höher als bei Anregung durch Blitzlampen. 5. Die typische Wellenlänge (nicht frequenzverdoppelt) liegt bei =1064nmund liegt damit im Infrarot. 6. Der Faustformel-Zusammenhang zwischen Pulsenergie, Pulsdauer und Spitzenenergie lässt sich mittels P = E/t berechnen. 7. Für die gegebenen Werte ergibt sich daher eine Spitzenleistung von P 10 µs =10kW sowie P 10 ns =10MW. 8. Frequenzverdopplung bedeutet das Einbringen eines zusätzlichen Resonatorkristalls, der in diesem Fall die Wellenlänge halbiert (vgl. Versuchsteil 4) 9. Die Leistung des frequenzverdoppelten Pulses wird mittels eines Wirkungsgrads abhängig von der Leistung bei Fundamentalwellenlänge beschrieben: 10. =532nm hat die Farbe grün. = I(2!) I(!) 3 Geräteliste Nd:YAG-Laser ( = 1064nm)inkl.Verstärker DCDA-Kristall (deuteriertes Cäsiumdihydrogenarsenat) mit Heizung Hg-Filter Abschwächer/ND-Filter

3 3 Protokoll Versuch Nd:YAG Photodiode Oszilloskop mit Drucker Fluoreszenzplättchen 4 Versuchsaufbau Der allgemeine Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 erkennbar. Je nach Versuchsteil wird der Schirm durch eine Photodiode ersetzt. Es ist auch bereits der DCDA-Kristall zu erkennen. Umlenkspiegel Monitor - Photodiode Verstärker Pump Cavity Verdoppler- Kristall Umlenkspiegel Strahlteiler Pump Cavity Endspiegel Auskoppelspiegel Oszillator Abbildung 1: Allgemeiner Aufbau des Nd:YAG-Lasers 5 Justieren des Laseroszillators Mittels von je 2 Schrauben am End- und Auskoppelspiegel wird das Signal auf eine möglichst hohe Ausgangsleistung eingestellt. Im Oszilloskop befindet sich ein 1 MΩ-Eingangswiderstand, der das Maximum in Abbildung 2 eindeutig bei 294 mv erkennen lässt. Es schließt sich eine abfallende e-funktion an. Außerdem sind noch zwei weitere Spitzen auf dem Oszilloskop abgebildet, wovon eines noch in der Abbildung erkennbar ist. Diese liegen im Abstand von in diesem Fall t =300µs auseinanderundstellenmitgetriggerter Verzögerung das erkannte Signal beider Blitzlampen aus Verstärker und Oszillator dar. Wird ein kleinerer wie hier geschehen 1,5 kω-eingangswiderstand parallel geschaltet, d.h. direkt auf den Eingang des Oszilloskops, sinkt der Gesamtwiderstand und letztlich die Spannung. In Abbildung 3 ist außerdem eine schnellere Reaktion zu beobachten: Es findet keine Aufintegration mehr statt bzw. die oben erwähnte e-funktion als Entladekurve eines Kondensators wird nicht mehr beobachtet. Das Diagramm besticht durch ein anfängliches globales Maximum und mehrere lokale Maxima im Anschluss, welche allerdings erneut durch eine abklingende e-funktion eingehüllt werden können. Insgesamt ist das Signal ca. 7,5 Kästchen lang, was einer Pulsdauer von ca. 75 µs entspricht.

4 4 Protokoll Versuch Nd:YAG Abbildung 2: Messergebnis zur Bestimmung des Pulsmaximums Abbildung 3: Messergebnis zur Bestimmung der wahren Pulsdauer

5 5 Protokoll Versuch Nd:YAG 6 Justieren des Verstärkers Der Verstärker wurde bereits justiert. Das Strahlprofil ist in Abbildung 4 deutlich erkennbar, wobei ein rundes Abdampfen weitgehend, jedoch nicht komplett geschehen ist. Abbildung 4: Fotopapier zur Bestimmung des Strahlprofils 7 Einfluss der Parameter 7.1 Verzögerungszeit Zunächst wird der Einfluss der Verzögerungszeit t auf die Pulsenergie E ermittelt. Dabei werden die Verstärkerspannung bei U =2300VunddieOszillatorspannungbeiU =710V konstant gehalten. Die Messwerte sind in Tabelle 1 dargestellt: Es wurden jeweils vier Pulse pro Verzögerungszeit mit einer Photodiode und angeschlossenem Oszilloskop aufgezeichnet, gemittelt und mit Standardabweichung s U angegeben. Mit dem Umrechnungsfaktor a =8,16 V kann in die Pulsenergie aus der gemittelten Spannung U einschließlich Fehler J umgerechnet werden. t/µs U /V U /V s U E=U/a E = s U a /mj 100 1,20 1,20 1,20 1,16 1,19 0,0200 0,1458 0, ,98 1,98 1,94 1,94 1,96 0,0231 0,2402 0, ,74 2,72 2,74 2,8 2,75 0,0346 0,3370 0, ,32 3,34 3,34 3,36 3,34 0,0163 0,4093 0, ,72 3,72 3,68 3,64 3,69 0,0383 0,4522 0, ,56 3,64 3,64 3,56 3,60 0,0462 0,4412 0, ,12 3,32 3,24 3,2 3,22 0,0833 0,3946 0, ,68 2,68 2,64 2,72 2,68 0,0327 0,3284 0, ,14 2,06 2,10 2,14 2,11 0,0383 0,2586 0,00469 Tabelle 1: Messwerte Spannung der Photodiode in Abhängigkeit der Verzögerungszeit t Wird die Pulsenergie gegen die Verzögerungszeit aufgetragen ist eine deutlich parabelförmige Abhängigkeit sichtbar. Eine im Diagramm eingeblendete Funktion beschreibt die quadratische Abhängigkeit sehr gut. Die Verzögerungszeit mit der größten Pulsenergie wird bei t =300µs gemessen.

6 6 Protokoll Versuch Nd:YAG Variation der Verzögerungszeit 0,6 0,5 Messwerte y = 6, x 2 +0,0039x 0,1982 R 2 =0,9869 Pulsenergie E /mj 0,4 0,3 0,2 0, Verzögerungszeit t / µs 7.2 Verstärkerspannung Schließlich wird der Einfluss der Verstärkerspannung U Verst. auf die Pulsenergie E ermittelt. Bei konstanter Verzögerungszeit von t =300µs und zwei jeweils konstanten Oszillatorspannungen sind die Messwerte in den Tabellen 2 und 3 dargestellt. Erneut wurden jeweils vier Pulse pro Verzögerungszeit aufgezeichnet, gemittelt, mit Standardabweichung s U angegeben und in die Pulsenergie umgerechnet. U Verst. U Oszilloskop /V U /V s U E=U/a E = U a /V /mj ,200 1,160 1,200 1,160 1,180 0,0231 0,1446 0, ,360 1,380 1,400 1,400 1,385 0,0191 0,1697 0, ,640 1,640 1,620 1,640 1,635 0,0100 0,2004 0, ,920 1,880 1,920 1,840 1,890 0,0383 0,2316 0, ,120 2,200 2,240 2,200 2,190 0,0503 0,2684 0, ,520 2,520 2,440 2,560 2,510 0,0503 0,3076 0, ,960 2,960 2,840 2,880 2,910 0,0600 0,3566 0, ,320 3,240 3,400 3,160 3,280 0,1033 0,4020 0, ,680 3,640 3,680 3,680 3,670 0,0200 0,4498 0,00245 Tabelle 2: Variation der Verstärkerspannung bei U Oszillator =710V Wird die Pulsenergie gegen die Verstärkerspannung aufgetragen ist genauso eine parabelförmige Abhängigkeit erkennbar. Für beide Oszillatorspannungen beschreiben die angegebenen quadratischen Funktionen sehr gut die erfassten Messwerte. Ein Extremum jedoch ist im gemessenen Bereich nicht erkennbar. Die Grenzen sind hier sicherlich durch die Gerätespezifikationen gegeben.

7 7 Protokoll Versuch Nd:YAG U Verst. U Oszilloskop /V U /V s U E=U/a E = U a /V /mj ,872 0,832 0,832 0,856 0,848 0,0196 0,1039 0, ,936 1,030 0,944 0,984 0,974 0,0431 0,1193 0, ,110 1,110 1,180 1,150 1,138 0,0340 0,1394 0, ,280 1,280 1,280 1,260 1,275 0,0100 0,1563 0, ,480 1,420 1,460 1,540 1,475 0,0500 0,1808 0, ,800 1,780 1,800 1,680 1,765 0,0574 0,2163 0, ,960 1,980 2,060 2,020 2,005 0,0443 0,2457 0, ,200 2,240 2,140 2,160 2,185 0,0443 0,2678 0, ,480 2,560 2,520 2,540 2,525 0,0342 0,3094 0,00419 Tabelle 3: Variation der Verstärkerspannung bei U Oszillator =650V Variation der Verstärkerspannung 0,7 0,6 U=710 V y 1 =1, x 2 2, x +0,19 R 2 =0,9997 U=650 V y 2 =1, x 2 2, x +0,19 R 2 =0,9974 Pulsenergie E /mj 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Verstärkerspannung U /V 8 Justieren des Frequenzverdopplung Abbildung 5: Aufbau zur Frequenzverdopplung

8 8 Protokoll Versuch Nd:YAG Im letzten Versuchsteil wird nachgewiesen, dass das IR-Licht frequenzverdoppelt werden kann. Wie in Abbildung 5 zu sehen, werden neben dem Kristall außerdem verschiedene Filter verwendet, um das grüne Licht mit der Fotodiode und dem angeschlossenen Oszilloskop alleine darstellen zu können. Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein Farbglasfilter jedoch nicht unbedingt benötigt wird. Die Justage des Quecksilber-Filters gestaltet sich als schwierig, da im Gegensatz zur Oszillatorjustage mit den Spiegeln die Intensität von Puls zu Puls stark schwankt. Das Ergebnis ist dargestellt in Abbildung 6. Es zeigt sich ein Impuls erneut ähnlich einer e-funktion, jedoch mit einer weit geringeren Dauer von nur ca. einem Kästchen, also 1 µs. Abbildung 6: Laserimpuls nach Frequenzverdopplung