Versuch : Laserresonator Protokoll Von Jan Oertlin und Ingo Medebach Gruppe 242 8. Dezember 2010
Inhaltsverzeichnis 1 Theoretische Grundlagen 5 1.1 Funktionsweise eines Laser.................................. 5 1.2 Resonator........................................... 5 1.3 Frequenzverdopplung..................................... 6 1.4 Laserschutz.......................................... 6 1.5 Laserschwelle......................................... 6 2 Durchführung und Auswertung 7 2.1 Justage mit dem He-Ne-Lasers............................... 7 2.2 Spektrum des He-Ne-Lasers................................. 8 2.3 Inbetriebnahme des Ti:Sa-Lasers.............................. 9 2.4 Bestimmung der Laserschwelle............................... 10 2.5 Spektrum des Ti:Sa-Lasers................................. 10 2.5.1 Anregung höherer Moden.............................. 11 2.6 Spektrum der Fluoreszenz des Ti:Sa-Lasers........................ 11 2.7 Anwendungen eines Ti:Sa-Lasers.............................. 12 3
1 Theoretische Grundlagen 1.1 Funktionsweise eines Laser Der Laser, aus dem englischen Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, hat eine relativ einfache Funktionsweise. Die drei wichtigen Prozesse sind Anregung, spontane und stimulierte Emission. Bei der Anregung, auch Pumpen genannt, werden bei einem optisch aktiven Medium Elektronen von dem Grundzustand E 0 auf ein höheres Niveau E A angehoben. Dies kann zum Beispiel durch chemische, elektrische und optische Vorgänge erreicht werden. Auf dem höherem Niveau fallen die Elektronen auf ein leicht niedrigeres Niveau E E. Von dort können sie spontan oder stimuliert auf das Grundniveau runterfallen. Dabei wird ein Photon mit der gewünschten Laserwellenlänge λ frei. Durch die Photonen aus spontanen Emissionen werden angeregte Elektronen stimuliert und diese fallen zurück in den Grundzustand. Die nun freigewordenen Photonen haben die gleiche Wellenlänge und Phase wie die anregenden Photonen. Wichtig für die optimale Arbeitsweise des Lasers ist das Drei-Niveau-System. Durch das Pumpen auf das höchste Niveau E A und das spontane Abfallen auf ein niedrigeres Niveau E E wird verhindert, dass die Pumpanregung eine stimmulierte Emission auslösen kann. Wichtig ist, dass die Wahrscheinlichkeit spontan von E A auf E E zu emitieren höher ist als von E E zurück in den Grundzustand zu fallen. Dadurch entsteht eine Besetzungsinversion. Es sitzen nun, ohne die stimmulierte Emission zu betrachten, mehr Elektronen auf dem Niveau E E als auf den Grundzustand. Wenn nun Photonen diese stimmulieren, ist die Anzahl der Elektronen die Photonen freisetzt größer, als die Anzahl der Elektronen die Photonen absorbiert um auf E E zu gelangen. Es vervielfacht sich somit der Photonenstrahl. Der Lichtstrahl wird mit Hilfe von Spiegeln wieder auf das optische Medium gelenkt und verstärkt sich erneut. Dieser Aufbau wird mit Resonator beschrieben. Es wird ein teilweise durchlässiger und ein nicht durchlässiger Spiegel. Somit kann der Lichtstrahl den Aufbau verlassen und für Versuche oder Folgeanwendungen verwendet werden. Durch verschiedene geometrische Aufbauten kann erreicht werden, dass das aktive Medium besser abgelaufen wird und somit eine höhere Photonenzahl erreicht wird. 1.2 Resonator Ein optimaler Laserstrahl hat eine lange Kohärenzlänge. Dies wird erreicht, indem eine Emission erneute stimmulierte Emissionen auslöst, die diesen Vorgang dann erneut wiederholen. Um dies zu erreichten, baut man u.a. mit Spiegeln um das aktive Medium einen Resonator. Der Lichtstrahl wird somit erneut auf das aktive Medium reflektiert und löst zusätzliche stimmulierte Emissionen aus. Dadurch kann aus einer spontanen Emission ein starker koharenter Lichtstrahl werden. Durch den geometrischen Aufbau können weiter Eigenschaften bestimmt werden. Wenn das aktive Medium von zwei parallelen Planspiegeln umschlossen ist, werden nur die spontan emittierten Photonen verstärkt, die senkrecht auf einen der zwei Spiegel treffen. Somit erhalten wir zwar einen sehr parallel ausgerichteten Strahl, es gehen jedoch viele spontan-emittierten Photonen verloren. Mit konzentrischen angeordneten Spiegeln werden fast alle Photonen verwertet und verstärkt, jedoch ist der Laserstrahl auch sehr gestreut. Ebenfalls kann durch leichte Ungenauigkeiten bei der Positionierung der Spiegel erreicht werden, dass der Strahl durch eine größere aktive Fläche verstärkt wird und somit eine höhere Intensität hat. Mittels dielektrischer Spiegel kann das aktive Medium mit einer Wellenlänge, ungleich der gewünschten 5
Laserwellenlänge, angeregt werden. Dies ist möglich, da dielektrische Spiegel nur einen bestimmten Wellenlängenbreich reflektiert und andere Wellenlängen transmittiert. 1.3 Frequenzverdopplung Der Effekt Frequenzverdopplung beschriebt die Entstehung einer Strahlung der Frequenz 2ν, die durch Einstrahlung mit der Frequenz ν eines nichtlinearen optischen Mediums auftritt. Dies entsteht durch die Wechselwirkung der einfallender Strahlung mit den elektrischen Ladungen im Medium. Das elektrische Feld der Strahlung führt zu einer schwingenden Verschiebung der Ladung im Medium. Diese Schwingungen erzeugen, wie ein Hertz scher, Dipol erneute Strahlung. Bei einer kleinen Intensität des einfallenden Strahls, sind diese Schwingen klein und lassen sich wie harmonische Oszillatoren beschreiben. Bei größere Intensität, spielen die Ladungskräfte der angrenzenden Atome eine Rolle. Das rücktreibende Potential ist nicht mehr parabelförmig und somit die Kraft nicht mehr linear. Dadurch schwingen die Elektronen in einer unterschiedlichen Frequenz im Vergleich zur eintreffenden Strahlung. Ist das Potential symmetrisch zur Nulllage, so kann es zu Verdreifachung, Verfünffachung, usw. kommen. ist das Potential zentrosymmetrisch, kann es zu Verdopplung, Vervierfachung, usw. kommen. Somit kann man zum Beispiel grünes Licht der Wellenlänge λ = 532 nm aus einem Nd:YAG-Laser der Wellenlänge λ = 1064 nm erzeugen. 1.4 Laserschutz In disem Versuch verwenden wir Laser der Laserschutzklasse 4. Diese haben eine Stärke, die bereits zur vollständigen Erblindung führen und schwere Verletzungen auf der Haut verursachen kann. Schon diffuse Reflektionen sind gefährlich. Deshalb sind folgende Regeln zu beachten: Es müssen grundsätzlich Laserschutzbrillen getragen werden Es dürfen keine Uhren oder Schmuck getragen werden Alle anwesenden Personen müssen informiert werden, wenn der Laser in Betrieb genommen wird Der Laserstrahl darf nicht den optischen Tisch verlassen 1.5 Laserschwelle Mit der Laserschwelle wird die minimale Pumpleistung bezeichnet, an der der Laser anfängt zu arbeiten. Denn erst bei einer bestimmten Energiezufuhr wird der Energieverlust durch Absorption im Laser-Medium und durch Auskopplung des Laserstrahles ausgeglichen. 6
2 Durchführung und Auswertung 2.1 Justage mit dem He-Ne-Lasers Wir haben mittels dem Helium-Neon-Lasers den Strahlengang so justiert, dass der Laser horizontal und parallel zur Tischkante verläuft. Zur Justage wurde absichtlich nur ein Laser Klasse 1 benutzt und nicht der nacher eingesetzte Pumplaser Klasse 4, damit die Gefahr einer möglichen Verletzung minimiert wird. Ziel war es, dass der Laser den Aufbau zur Anregung des Titan:Saphir-Lasers durchläuft. Dies haben wir mittels zwei Justagespiegel erreicht, die wir abwechselnd mit den Ausrichtungsschrauben eingestellt haben. Der Vorteil dieses Aufbaus ist, dass die fest installierten Komponenten (wie hier der Ti:Sa-Laser, Blenden und Fokusierungslinsen) bei z.b. einem Laserwechsel nicht neu ausgerichtet werden müssen. Abbildung 1: Aufbau 7
2.2 Spektrum des He-Ne-Lasers Mittels eines Glasfaserkabels, das sich bereits an einem Einkoppler befand, haben wir das Spektrum des Lasers gemessen. Dazu wurde der Einkoppler auf Strahlhöhe gebracht und in den Strahlengang gestellt. Abbildung 2: Spektrum des Helium-Neon-Lasers Wie man gut erkennen kann, liegt das Maximum wie erwartet bei λ = 632, 8 nm. Der Peak hat bei halber Höhe ungefähr eine Breite von 1,2 nm. 8
2.3 Inbetriebnahme des Ti:Sa-Lasers Nachdem wir mit dem He-Ne-Laser die Feinjustage geübt haben, wurde der Pumplaser in Betrieb genommen. Dieser war bereits fertig installiert, so dass der Strahlengang den Ti:Sa-Laser anregt. Der Ti:Sa-Kristall war in einem Winkel zu diesem Strahl aufgebaut, der dem Brewsterwinkel entspricht. Im Idealfall würde somit der vorher polarisierte Strahl komplett transmittiert werden. Dadurch haben wir möglichst wenig Reflexionen des Pumplasers erhalten. Die transmittierte Strahlung wurde mittels eines Blockers aufgefangen, ebenso die leichten Reflexionen am Kristall. Durch Anregung des aktiven Mediums wurden Photonen in jede Raumrichtung emittiert. Mittels vier Resonatorspiegeln (wovon einer ca. 3% durchlässig war), wurden Photonen im Ti:Sa-Laser gefangen. Somit wurde die stimulierte Emission ausgelöst und der Strahl verstärkt. Mittels optimaler Einstellung der Resonatorspiegel haben wir erreicht, dass der Laser richtig zu arbeiten begannt. Das heißt also, dass wir die Besetzungsinversion fast nur durch stimulierte Emission abgebaut haben. Dies war auch durch die Abnahme der Fluoreszenz zu beobachten, denn diese kommt durch spontane Emission zustande und ist nicht gerichtet. Abbildung 3: Der Ti:Sa-Laser im Betrieb. Das grüne Licht stammt vom Pumplaser, dessen Strahl man an manchen Stellen erkennen kann. 9
2.4 Bestimmung der Laserschwelle Nun haben wir die Laserschwelle des Ti:Sa-Lasers bestimmt. Dazu haben wir die Pumpleistung kontinuierlich reduziert, bis der Ti:Sa aufhörte zu lasen. Die von uns bestimmte Schwelle beträgt ca. 2,01 W. Wir mussten diesen Aufgabenteil ohne das Powermeter durchführen, da uns dieser nicht zur Verfügung stand. 2.5 Spektrum des Ti:Sa-Lasers Wie auch bei der Bestimmung des Spektrums des Helium-Neon-Lasers haben wir hier den Einkoppler in den Strahlengang des Ti:Sa-Lasers gebracht. Das aufgenommene Spektrum hat wie zu erwarten ein Maximum um 800 nm. Das gemessene Maximum liegt bei λ = 797, 0 nm. Der Peak ist mit 1,4 nm leicht breiter als der des He-Ne-Lasers. Abbildung 4: Spektrum des Ti:Sa-Lasers 10
2.5.1 Anregung höherer Moden Wir haben nun durch leichtes Verstellen der Resonatorspiegel andere Moden angeregt. Dadurch hat sich der Laserstrahl sozusagen aufgespaltet und man konnte ein ähnliches Bild wie hier auf der Skizze sehen: Abbildung 5: Skizze des Laserstrahles bei höheren Moden Dadurch sah man im Spektrum 1 noch weitere Peaks, welche den Wellenlängen der anderen Moden entsprach. 2.6 Spektrum der Fluoreszenz des Ti:Sa-Lasers Für das Spektrum der Fluoreszenz des Ti:Sa-Lasers haben wir folgenden Plot erhalten (y-achse logarithmisch aufgetragen): Abbildung 6: Spektrum der Fluoreszenz des Ti:Sa-Lasers 1 Wir hatten auch diese Spektren aufgenommen, aber diese wurden nicht abgespeichert. Den Fehler haben wir leider zu spät bemerkt. 11
Wie man gut erkennen kann, hat das Spektrum einmal einen Peak bei ca. 532,2 nm und einmal bei 812,4 nm. Der erste Peak stamt vom Pumplaser, dessen Wellenlänge bei rund 532 nm liegt. Der zweite Peak stammt vom Ti:Sa-Laser selbst, dessen Wellenlänge um 800 nm liegt. Es ist gut zu erkennen, dass der Titan-Saphir-Kristall ein relativ breites Spektrum hat, wodurch man auch durch Anregung anderer Moden einen Laser anderer Wellenlänge erhält. Hier sehen wir diese allerdings nicht, was zum einen an der Resonatorgeometrie liegt, zum anderen aber auch an den Dielektrischen Spiegeln, welche nur einen relativ kleinen Wellenlängenbereich reflektiert und somit nur wenige andere Moden angeregt werden können. 2.7 Anwendungen eines Ti:Sa-Lasers Die das relativ breite Spektrum des Titan:Saphir-Lasers, kann man die Wellenlänge in einem weiten Bereich einstellen, man spricht auch von durchstimmen. Dadurch wird er häufig in der zeitaufgelösten Spektroskopie eingesetzt, z.b. bei biologischen Vorgängen. Außerdem findet der Laser Anwendung, um ultrakurze Laserpulse im 100 fs Bereich zu erzeugen. Dies ist mit mit dem Ti:Sa deswegen besonders günstig, da der Kristall bei hohen Lichtleistungen wie eine Kerr-Linse wirkt und den Strahl fokusiert. Setzt man nun eine Blende ein, um möglichst nur den fokusierten Strahl durch zu lassen, wird der kontinuierliche Laserstrahl unterdrückt. Normalerweise müssen die Pulse aktiv gesteuert werden, durch sogenannte aktive Modenkopplung; durch den Kerr- Linsen-Effekt des Titan-Saphir-Kristalls aber regelt dies dieser Laser selber und man spricht von passiver Modenkopplung. Desweiteren wird dieser Laser unter Anderen noch in den Bereichen wie Medizin, Qualitätssicherung in der Halbleiterindustrie und Materialbearbeitung eingesetzt. Auch fungiert er selber als Pumplaser für größere Lasersysteme. 2 2 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/titan:saphir-laser, 12.12.2010, 15:25 Uhr 12