Der Laser. Einleitung. Physikalische Grundlagen

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1 Der Laser Einleitung Das Prinzip der Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung (LASER) ist schon sehr lange bekannt. Als Erster beschäftigte sich Albert Einstein mit der theoretischen Möglichkeit eines Lasers und stellte einige Bedingungen zur Realisierung eines solchen Gerätes auf. Erst 1960 waren die technischen Möglichkeiten soweit fortgeschritten, daß der Bau eines Lasers möglich war. Der erste Laser war ein Rubinlaser. Ein Jahr später wurde der erste Helium-Neon-Laser gebaut. Seitdem wurden viele unterschiedliche Lasersysteme entwickelt, unter anderem Halbleiterlaser (Dioden in Laserpointern), Gaslaser (CO 2, Excimer,...), Festkörperlaser (Nd:YAG, Nd:Glas) und andere. In diesem Praktikum werden die Eigenschaften eines Neodym-YAG Lasers untersucht. Laser besitzen aufgrund der besonderen Eigenschaften des produzierten Lichtes eine große Bedeutung in unserem täglichen Leben. Seien es so simple Anwendungen wie eine Lichtschranke, wobei die geringe Divergenz der Laser ausgenutzt wird oder komplizierte Anwendungen in der medizinischen Technik so z.b. die Anpassung der Brennweite der Augenlinse an die Länge des Augapfels. Natürlich wird der Laser auch in der Industrie zur Bearbeitung von Materialien eingesetzt. Dies alles zeigt die Bedeutung des Lasers in der heutigen Zeit. Physikalische Grundlagen Wie der Name schon sagt, beruht der Laser auf dem Effekt der stimulierten Emission. Das heißt, daß ein Elektron im angeregten Zustand durch ein Photon, welches die Energie dieses angeregten Zustandes besitzt, gezwungen wird zu relaxieren. Dabei wird ein Photon ausgesandt, das dieselbe Frequenz und Richtung wie das einfallende Photon hat. Somit wird das Licht verstärkt. Geschieht dieser Vorgang sehr häufig, so erhält man einen sehr intensiven und kohärenten Lichtstrahl. Wie in der Einleitung erwähnt, müssen jedoch gewisse Bedingungen gegeben sein. Die erste Bedingung ist die Tatsache, daß man eine sogenannte Besetzungsinversion aufbauen muß. Das heißt, daß mehr Elektronen im angeregten als im Grundzustand sein müssen, da sonst die Wahrscheinlichkeit der Absorption eines Photons größer ist als die Wahrscheinlichkeit der stimulierten Emission und somit der Verstärkung. Das erreicht man durch optisches Pumpen mittels intensiver Lampen oder mit anderen Lasern. Das Pumpen mit Lasern hat den Vorteil, daß sie kein thermisches Spektrum, sondern intensives Licht der Anregungsenergie besitzen, was einen wesentlichen höheren Wirkungsgrad zur Folge hat. Eine weitere Voraussetzung ist, daß der Aufbau so konzipiert sein muß, daß die Verluste geringer sind, als die Verstärkung. Daraus folgt die Verwendung von hochwertigen Spiegeln und sehr reinen laseraktiven Materialien. Um einen sehr intensiven Strahl erzeugen zu können, muß der Strahl das laseraktive Material mehrmals durchlaufen. Dazu nutzt man einen Resonator. Hat man keinen Resonator, so nennt man diese Anordnung auch einen Superstrahler.

2 Zur Veranschaulichung soll folgendes Bild dienen: Spiegel mit R<100% Spiegel mit 98%<R<100% laseraktives Material Blitzlampen zum (z.b. Rubinkristall) opt. Pumpen Nun sollen die Voraussetzungen für einen funktionierenden Laser mathematisch betrachtet werden. Im Lasermaterial konkurrieren drei Prozesse, die zur Beschreibung wichtig sind. Das sind zum einen die Absorption, die spontane Emission und die induzierte Emission. Für alle Prozesse kann man Gleichungen aufstellen: Absorption: dn1 = B12n1u ph dt dn Spontane Emission: 2 = A21n2 dt Induzierte Emission: dn2 = B21n2u ph dt Dabei sind A 21, B 12 und B 21 die Einsteinkoeffizienten der jeweiligen Übergänge. n 1 und n 2 sind die Dichten der Atome im Grund- bzw. im angeregten Zustand, u ph ist die Energiedichte des äußeren Feldes. Mit diesen Gleichungen und den Parametern der Laseranordnung kann man zum Beispiel ausrechnen, wie intensiv gepumpt werden muß, damit überhaupt Lasertätigkeit zu beobachten ist. Diese Gleichungen gelten jedoch nur für ein sehr einfaches System mit zwei Übergängen. In der Regel sind es sehr komplexe Übergänge. Beim Nd:YAG Laser sind es z.b. vier Übergänge, die beteiligt sind.

3 Versuchsvorbereitung 1. Skizzieren Sie die Funktionsweise (Art des Pumpens, Art der Laserübergänge, Wellenlängen) für folgende Lasersysteme: - He-Ne Laser - Rubin Laser - Halbleiterlaser - Excimer Laser! 2. Welche Prozesse sind für die Verbreiterung der Laserlinien verantwortlich? Welche Prozesse sind besonders wichtig für die Lasertypen genannt in Frage 1? 3. Was bedeutet die Angabe ein Laser sei ein TEM 23 Laser? 4. Wie hängen Leistung und die vom Detektor gemessene Intensität voneinander ab? 5. Leiten Sie die Gleichungen für die Absorption, Emission und induzierter Emission im Abschnitt Physikalische Grundlagen her! 6. Warum tritt Spiking auf? Welche Parallelen gibt es zwischen Spiking und Q-switch? 7. Warum hat der passive Q-switch, welcher aus einem LiF Kristall besteht, die Farbe orange und ist nicht farblos? 8. Erklären Sie die Funktionsweise des aktiven Q-switches! 9. Wie funktioniert die Frequenzverdopplung in Verdopplerkristallen (physikalische Grundlagen, phase-matching, Zusammenhang Leistung Grundwelle frequenzverdoppelte Welle)? 10. Warum sollte man zur Frequenzverdopplung einen Auskoppelspiegel möglichst hoher Reflektivität verwenden?

4 Experimente Die Versuche werden mit einem Experimentierlaser durchgeführt. Dieser besteht aus dem Steuergerät, an dem die Temperatur und der Strom für die Pumpdiode geregelt werden kann, einer optischen Schiene und folgenden Teilen: Pockelszelle Brewsterfenster Zusätzlich werden ein Speicheroszilloskop und ein Funktionsgenerator zur Verfügung gestellt. Die vom Oszilloskop aufgenommenen Bilder können auf einer Diskette gespeichert werden und an einem Computer ausgewertet werden, falls dies erforderlich sein sollte. Zur Sichtbarmachung des infraroten Lichtes des Lasers liegt ein IR Wandlerschirm bereit. Zum Herausfiltern ungewollter Strahlung gibt es zwei Filter. Diese sind der RG1000, welcher nur Licht mit höherer Wellenlänge als 1 µm hindurchläßt und ein Grünfilter. ACHTUNG! Bei der Arbeit mit Lasern kann für das menschliche Auge gefährliche Strahlung auftreten. Dieser Laser ist vor allem deshalb gefährlich, weil er nicht sichtbares, infrarotes Licht erzeugt. Achten sie also darauf, daß sie nicht in den Strahl blicken und auch keine Sekundärreflexionen in ihr Auge geraten. Schalten Sie die Pumpdiode immer aus, wenn sie am Aufbau arbeiten. Während des Betriebes ist es ratsam, eine schwarze Pappe (wird gestellt) über den gesamten Aufbau zu stülpen. Das ist nicht nur sicherer, sondern verbessert auch die Ergebnisse, da kein Licht aus der Umgebung die Messung beeinflussen kann. Des Weiteren ist darauf zu achten, daß während der Justierarbeiten am Aufbau der Strom durch die Pumpdiode möglichst gering gehalten wird (Sichtbarkeitsgrenze). Gerade wenn man mit dem Zielkreuz den Fokus der Linse zum Einsetzen des YAG Kristalls sucht, kann es zur Entzündung des Fadenkreuzpapiers kommen. 500mA sind ausreichend!

5 Bevor sie die Pumpdiode ein- bzw. ausschalten, ist der Regler für den Strom auf Linksanschlag zu drehen. 0. Einarbeitung Machen sie sich als erstes mit den Sicherheitsbestimmungen vertraut und handeln sie auch danach. Ein blinder Fleck im Auge reicht! Nun machen sie sich mit der Funktionsweise des Speicheroszilloskopes, des Funktionsgenerators und den Ansteuereinheiten für den Laser vertraut. Denken sie daran, daß man das Oszilloskop auch als Spannungsmeßgerät einsetzen kann. Wichtig für die Arbeit mit dem Oszilloskop sind die Menüs measure, cursor, trigger und hardcopy. Letzteres dient der Speicherung von Oszillogrammen auf einer Diskette. 1. Der Pumpprozess Setzen sie den Pumplaser und den Kollimator auf die Schiene und verschieben sie den Kollimator solange, bis ein nahezu paralleler Strahl entsteht. Nutzen sie dazu das Zielkreuz. Der Detektor muß noch nicht in der Halterung sein. Nun setzen sie hinter dem Kollimator die Linse ein. Suchen sie mit dem Fadenkreuz den Fokus des Strahles. Setzen sie den Nd:YAG Kristall so ein, daß der Fokus genau im Kristall ist. Achten sie darauf, daß die Justierplatten des Kristallhalters nahezu parallel sind. Die Wellenlänge des Pumpdioden-Lasers ist temperaturabhängig. Die Neodym-Ionen im YAG-Kristall haben im möglichen Temperaturbereich drei Übergänge, und zwar bei 804,4 nm, 808,4 nm und bei 812,9 nm. Stellen sie die Absorption des Nd:YAG Kristalls in Prozent graphisch über der Temperatur dar. Ordnen Sie den Maxima die Wellenlängen zu. Denken sie daran, daß sie nur die Intensität des Lichtes vom Nd:YAG messen wollen! Die Wellenlänge der Pumpdiode ist jedoch nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Strom abhängig. Dazu geht man folgendermaßen vor. Man stellt die Werte von Strom und Temperatur ein, bei denen in der ersten Meßreihe die größte Absorption aufgetreten ist. Dann verändert man den Strom und sucht dieses Maximum, indem man die Temperatur ändert. Diese Abhängigkeit ist in einem Temperatur-Strom-Diagramm darzustellen und linear zu interpolieren.

6 Nun hat man die Werte für Strom und Temperatur, bei denen der Laser optimal gepumpt wird. 2. Die Lebensdauer des angeregten Zustandes In diesem Experiment soll die Lebensdauer des angeregten Zutandes bestimmt werden. Die Lebensdauer ist definiert als die Zeit, die vergeht, bis die Anzahl der angeregten Atome auf 1/e abgesunken ist. Für dieses Experiment wird die Pumpdiode im gepulsten Modus betrieben. Stellen sie die Fluoreszens des Nd:YAG Kristalls und das Pumpsignal auf dem Oszilloskop dar und bringen sie dieses Bild geeignet zu Protokoll. Bestimmen sie die Lebensdauer! Tabellenwerke geben einen Wert von τ 230 µs an. Diskutieren sie ihr Ergebnis! 3. Der Aufbau des Lasers Zum Aufbau des Laser wird der Spiegel eingesetzt, um einen Resonator zu erzeugen. Zur besseren Kalibrierung wird empfohlen, den Spiegel mit R=99,98% einzusetzen. Ist der Spiegel auf der optischen Schiene montiert, sind Spiegel und Nd:YAG Kristall so zu justieren, daß ein optimaler Laserbetrieb gewährleistet ist. Das heißt, daß der Laser bei möglichst geringem Pumpstrom läuft. Die Justage ist mit dem IR Wandler vorzunehmen. Dabei ist darauf zu achten, daß möglichst wenig transversale Moden entstehen. Der Wandlerschirm zeigt auch die Restpumpstrahlung, also nutzen sie das Filter. Wieviel transversale Moden werden wahrscheinlich vorhanden sein? ANM.: IM FOLGENDEN IST DER LASER IMMER BEI HÖCHSTER EFFEKTIVITÄT (NICHT LEISTUNG) ZU BETREIBEN (SIEHE ERSTES EXPERIMENT).

7 4. Laserleistung Messen sie die Ausgangsleistung des Lasers in Abhängigkeit des Pumpstromes für beide Resonatorspiegel und stellen sie die Daten graphisch dar! Erklären sie das Ergebnis! 5. Spiking Nun wird ein Effekt untersucht, der sich Spiking nennt. Dazu wird die Pumpdiode gepulst betrieben. Stellen Sie das Pumpsignal und das Laserausgangssignal gleichzeitig auf dem Oszilloskop dar und untersuchen sie das Lasersignal kurz über der Laserschwelle. Stellen Sie das Verhalten qualitativ dar bzw. drucken sie das Bild aus! Wie verhält sich das Lasersignal je weiter man sich von der Laserschwelle entfernt, und warum ist das so? 6. Frequenzverdopplung Dieses Experiment untersucht die Möglichkeit, in bestimmten Kristallen bei entsprechender Intensität des Lichtes eine zweite Lichtwelle mit der doppelten Frequenz zu erzeugen. Hierbei wird ein Kalium-Titanyl-Phosphat Kristall genutzt. Dieser ist so geschliffen, daß er die phase-matching Bedingung erfüllt, wenn er exakt senkrecht im Strahl steht. Da die Intensität des ausgekoppelten Laserstrahls nicht ausreicht, muß der Kristall innerhalb des Resonators aufgebaut werden. Des Weiteren sollte man den Spiegel mit der höheren Reflektivität benutzen, um die Intensität im Resonator weiter zu erhöhen. Ist der Kristall richtig einjustiert, ist ein sehr helles intensives grünes Licht zu sehen. Literaturverzeichnis [1] Wolfgang Demtröder; EXPERIMENTALPHYSIK 2, [2] Wolfgang Demtröder; EXPERIMENTALPHYSIK 3, [3] J. Eichler und H.-J. Eichler; LASER, Springer Verlag 1991 [4] F. K. Kneubühl und M. W. Sigrist, LASER, Teubner-Verlag 1995 [5] H.-G. Rubahn, LASERANWENDUNGEN IN DER OBERFLÄCHENPHYSIK UND MATERIALBEARBEITUNG, Teubner-Verlag 1996

8 INVENTARLISTE ARBEITSPLATZ Oszilloskop Frequenzgenerator Steuergerät für die Laserdiode Steuergerät für die Pockelszelle Optische Schiene Laserdiodenmodul Kollimator Linse Nd:YAG Kristall im Halter Spiegelhalter und zwei Spiegel mit R 1 =99,98% und R 2 =2% Filterplattenhalter mit zwei Filtern Detektor in Halterung mit Zielkreuz LiF Kristall (orange) in Halterung Pockelszelle Brewsterfenster KTP Kristall im Halter 4 BNC - Kabel