Nichtlineare Transmission

Universität Potsdam Institut für Physik Physikalisches Praktikum für Fortgeschrittene 2006 O4 Nichtlineare Transmission Abbildung 1: Versuchsaufbau O4 "Nichtlineare Transmission 1 Versuchsziel Bei der resonanten Wechselwirkung von Licht mit Materie können bei hohen Intensitäten auch eine Vielzahl von nichtlinearen Effekten auftreten, wie z.b. stimulierte Emission, Ausbleichen und excited state absorption (ESA). Diese nichtlineare Absorption ist gut beobachtbar bei der Messung der Transmission von Licht durch eine Probe. Treten nichtlineare Effekte auf, dann ist die Transmission nicht mehr unabhängig von der eingestrahlten Intensität. Das Ziel des Versuches ist es, dieses Verhalten zu messen und zu quantifizieren. 1

2 Versuchsaufbau: Der experimentelle Aufbau für die Untersuchungen der nichtlinearen Transmission ist in Abbildung 2 dargestellt. Das Probenlicht wird in einem diodengepumpten Nd:YAG Laser erzeugt. Der Laserresonator ist ein so genannten "twisted mode" Aufbau, um einen longitudinalen single Mode-Betrieb zu gewährleisten. Mit einem sättigbaren Absorber wird eine passive Güteschaltung im Resonator vorgenommen, so dass ein kurzer Puls mit einer Dauer von wenigen Nanosekunden emittiert wird. Die Steuerung des Lasers erfolgt über einen kleinen Computer, der sich auf dem Labortisch befindet. (genaue Einweisung der Lasersteuerung erfolgt durch den Betreuer). Der infrarote Laserstrahl wird mit einem KTP-Kristall frequenzverdoppelt. Nach einer weiteren Umlenkung gelangt der Laserpuls in die Messanordnung. Diese besteht aus einer Photodiode, die den zeitlichen Intensitätsverlauf des Laserpulses detektiert. Mit einer Keilplatte werden zwei Teilstrahlen ausgekoppelt. Der eine Teilstrahl gelangt auf eine CCD-Kamera, der andere auf einen pyroelektrischen Energiemesskopf. Mit der CCD-Kamera wird dass transversale Strahlprofil aufgenommen und der Energiemesskopf misst die einfallende Pulsenergie. Der Laserstrahl kann an zwei Stellen einmal vor der Probe und einmal hinter der Probe mit Neutralglasfiltern abgeschwächt werden. Das durch die Filter und die Probe transmittierte Licht wird mit einer Photodiode gemessen. Diodengepumpter Nd:YAG Laser mit Güteschaltung und "Twisted Mode" Anordnung 50% 70% Spiegel λ/4 Nd:YAG Stab λ/4 KTP-Kristall Polarisator sätt. Absorber HR Spiegel HR 1064 + HT 532 Keilplatte Filter (Pos. 1) Probe Filter (Pos. 2) Photodiode Linse f = 150 mm Detektor CCD-Kamera Energiedetektor Abbildung 2: Skizze des Versuchsaufbaus zur Untersuchung der nichtlinearen Transmission. 3 Experimentelle Aufgabenstellung: 3.1 Bestimmung der Intensität In den vorbereitenden Messungen geht es um die Bestimmung der Intensität in der Einheit Photonen pro Fläche und Zeit. Dafür muss die eingestrahlte Pulsenergie, der transversale Strahldurchmesser und das zeitliche Profil des Pulses bekannt sein. 2

3.1.1 Messung der Pulsenergie Da der Energiedetektor nicht direkt in dem Laserstrahl steht, muss vor der Energiemessung der Strahlteiler (Keilplatte) geeicht werden. Bei der Absolut- Kalibrierung soll der Strahlteilerfaktor der Keilplatte ermittelt werden. Keilplatte Linse f = 150 mm Energiedetektor 2 Energiedetektor 1 Abbildung 3: Schematischer Aufbau für die Absolut-Kalibrierung Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich, wird dazu ein zweiter Messkopf hinter die Keilplatte ca. 40 cm hinter die Linse positioniert. Das Verhältnis der beiden Energien ist zu bestimmen. Aufgrund der Schwankungen des Lasers sind mehrere Messungen (mindestens 10) durchzuführen und die Mittelwerte zu ermitteln. 3.1.2 Messung des Strahlprofiles: a) Mit der CCD Kamera ist das Strahlprofil auf der Linse zu bestimmen. Dafür muss die Kamera den gleichen Abstand zur Keilplatte haben, wie die Linse. Es sollte dabei darauf geachtet werden, dass die Kamera optimal ausgesteuert ist, d.h. einen möglichst großen Kontrast aufweist. Die Kamera ist über einen externen Frame Grabber mit dem Computer und einem Videomonitor verbunden. Um ein Livebild der Kamera auf dem Monitor zu erhalten, muss in dem Computer zuerst das Programm VDG-8 aufgerufen werden. Dieses Programm ermöglicht dann auch das Einfrieren der Kamerabilder und das Einlesen in den Computer. Die Kamerabilder werden als pcxfiles abgespeichert. Eine Weiterverarbeitung, insbesondere die Ermittlung des Strahlradius, ist mit dem Programm grabber99 möglich. Um einen Mittelwert angeben zu können, sind mindestens fünf Strahlprofile aufzunehmen. b) Strahlverlauf hinter der Linse. Mit der CCD-Kamera werden an verschiedenen Stellen hinter der Linse Strahlprofile aufgenommen. Dabei ist zu beachten, dass der Strahl vorher mit Filtern abgeschwächt wurde.!! Anmerkung zu den Filtern: Diese sind nur an dem Rand anzufassen, Keine Fettfinger auf den Filtern.!! 3.1.3 Messung der Pulsdauer Mit der Photodiode, die sich hinter dem Strahlumlenkspiegel befindet und dem Oszilloskop sollen mindestens fünf Pulsverläufe aufgenommen werden. Das Auslesen der Pulsverläufe erfolgt mit dem Computer (Programm Wavestar), der mit dem Oszilloskop verbunden ist. 3.2 Messung der Filtertransmission Die Strahlabschwächung bei der nichtlinearen Transmissionsmessung erfolgt durch den Einsatz von Neutralglasfiltern. Damit später auf die eingestrahlte Intensität zurückgerechnet werden kann, muss die Filtertransmission bestimmt werden. Positionieren sie die Filter direkt vor den Energiedetektor 2 und messen Sie das 3

Energieverhältnis mit und ohne Filter. Die Transmission ergibt sich dann aus dem Quotienten der beiden Energieverhältnisse. 3.2.1 Messung der Optischen Dichte der Probe: Bei der Probe handelt es sich um den Farbstoff Rhodamin 6G gelöst in Ethanol. Der Farbstoff befindet sich in einer 1 mm dicken Quarzküvette. Mit einem Absorptionsspektrometer (Raum 122) wird die optische Dichte bzw. die lineare Transmission der Probe bestimmt. Erstellen Sie drei Messungen 1. Keine Probe (Baseline), 2. Küvette nur mit Lösungsmittel und 3. Küvette mit Lösungsmittel und Farbstoff. 3.3 Bestimmung des Linearitätsbereiches des Detektors Damit nicht das nichtlineare Verhalten des Detektors gemessen wird, muss vorher gewährleistet sein, dass der Detektor in seinem linearen Bereich arbeitet. Mit den Filtern wird das Probenlicht unterschiedlich stark abgeschwächt und gleichzeitig die Spannung, an der Diode gemessen. Das Anstieg von der Diodenspannung über der Pumplichtintensität muss linear sein. 3.4 Messung der nichtlinearen Transmission durch Variation der Probenlichtleistung a) (Hinweg) Am Anfang der Messung befinden sich alle Filter in dem Filterhalter 1. Überprüfen Sie das Signal am Detektor 2 und bestimmen Sie den Offset. Nun wird sukzessive ein Filter nacheinander vom Filterhalter 1 in den Filterhalter 2 gesetzt. Dadurch erhöht sich die Intensität auf der Probe aber für den Detektor 2 bleibt solange sich die Transmission der Probe nicht ändert das Signal gleich. Bei dem Versetzen der Filter ist zu beachten, dass nicht zu große Intensitätssprünge entstehen, d.h. gelegentlich müssen Filter auch wieder zurückgesetzt werden. Bei jedem Filterwechsel ist das Signal von Detektor 2 zu notieren. b) (Rückweg) Sind alle Filter versetzt, dann soll eine weiter Messreihe erfolgen, bei der die Filter in umgekehrter Reihenfolge wieder in Filterhalter 1 platziert werden c) Änderung der Anfangstransmission, d.h. Verwendung einer Lösung mit einer höheren optischen Dichte. Messung der Anfangstransmission mit dem Absorptionsspektrometer (siehe 3.2.1). Bei der anschließenden Messung der nichtlinearen Transmission beobachten Sie das Verhalten der Probe, ob eine deutliche Fluoreszenz (Superstrahlung) oder sogar Lasertätigkeit auftritt. 3.5 Messung der nichtlinearen Transmission durch Variation der Probenlichtfokussierung Mit einem mechanischen Verschiebetisch wird die Probe durch den Fokus des Probenlichtes gefahren, dadurch kommt es ebenfalls zu einer Variation der Intensität. Messen sie an verschiedenen Positionen das Signal von Detektor zwei. 4 Auswertung 4.1 Kalibrierung: 4.1.1 Absolut-Kalibrierung Aus dem Verhältnis der Daten beider Energiedetektoren, ist das Strahlteilerverhältnis zu ermitteln. Mit diesem Wert kann bei den späteren Messungen die Pulsenergie am Probenort, bzw. am Filterhalter 1 berechnet werden. Da die Messwerte eine gewisse 4

Schwankung aufweisen, sollte mindestens die Standardabweichung des Verhältnisses angegeben werden. 4.2 Charakterisierung des Probenlichtes 4.2.1 Strahlprofil: a) Aus den mit der CCD-Kamera gemessenen Strahlprofilen ist jeweils der Gaußstrahlradius zu bestimmen. Dafür kann das Programm Grabber99 verwendet werden. Mit diesem Programm sollte mindestens ein Schnitt erstellt und in Origin dargestellt werden. ( Es kann auch mit ein 3D-Plot ergänzt werden) Die anderen Strahlradien sind in einer Tabelle aufzulisten und der Mittelwert zu bestimmen. Der Strahlradius am Probenort kann dann mit der Formel f λ w fokus = π w Linse bestimmt werden, wobei f die Brennweite der Linse und w Linse der Strahlradius sind. b) Aus den gemessenen Strahlprofilen hinter der Linse sind die jeweiligen Strahlradien zu ermitteln und über den Ort aufzutragen. Fitten Sie die Messpunkte mit der Funktion für die Ausbreitung eines Gauß-Strahles im Raum: (z z 0 ) λ w(z) = w fokus 1+ 2 w fokus π Verwenden Sie als freie Fitparameter den Strahlradius im Fokus w Fokus und den Fokusort z 0. Geben Sie für den optimalen Fit die beiden Werte an und vergleichen Sie mit dem Wert aus a) 4.2.2 Zeitlicher Pulsverlauf Aus dem gemessenen zeitlichen Pulsverläufen des einfallenden Pulses ist die Pulsdauer (Full Width Half Maximum ) zu ermitteln. Dafür kann ein Gauss-Fit in den Pulsverlauf gelegt werden. Stellen sie mindestens einen Pulsverlauf und die dazugehörigen numerisch angepasste Kurve da. Die Ergebnisse der anderen Messungen sollte tabellarisch angegeben werden. 4.2.3 Filtertransmission Die einzelnen Transmissionswerte der Filter sind in einer Tabelle aufzulisten. 4.2.4 Linearitätsbereich des Detektors Erstellen Sie eine Grafik bei der das Detektorsignal über der Lichtleistung aufgetragen wird. Markieren Sie den Bereich in dem der Detektor (die Photodiode) linear arbeitet. 4.3 Nichtlieare Transmission Erstellen sie aus den Messdaten ein Diagramm indem die Transmission der Probe über der Intensität (Photonen pro Zeit und cm²) aufgetragen wird. Dafür muss die gemessene Pulsenergie mit der Einzelphotonenenergie, der Pulsbreite und dem Fokusdurchmesser verrechnet werden. Erfolgte die Intensitätsvariation über den Filterwechsel so müssen zusätzlich noch die Filtertransmissionen eingerechnet werden. Vergleichen Sie die Kurven für den Hin- und Rückweg. Das Detektorsignal sollte mit der Anfangstransmission T 0 der Probe kalibriert werden. 2 5

Wenn die Möglichkeit besteht, soll die Messkurve noch mit der Gleichung (Zwei-Niveau- Modell) für die nichtlineare Transmission T(I) angefittet werden und die Sättigungsintensität I sat bestimmt werden. ln( T(I) ) = I ln(t0 ) + (1 T(I)) I sat 5. Fragen bzw. Lehrinhalte: 1. Was beschreibt eine Ratengleichung 2. Ratengleichung für ein zwei-niveau-system 3. Welche Parameter bestimmen die nichtlineare Transmission 4. Was ist die Sättigungsintensität? 5. Was sind optisch nichtlineare Prozesse 6. Erklären sie die Begriffe Ausbleichen, Excited state Absorption und spektrales Lochbrennen. 7. Was ist ein Superstrahler? 8. Wie bestimmt man die Strahlqualität von Laserstrahlen, was ist das zweite Moment?. 9. Wie breitet sich ein Gauß-Strahl im Raum aus? 10. Erklären Sie den Prozess der Güteschaltung. 6. Literatur: /1/ Menzel R. Photonics, Springer Berlin, Heidelberg 2001 Kapitel: 5.3; 7.4 6