Versuch EL-V5: Charakterisierung von Laserdioden

Versuch EL-V5: Charakterisierung von Laserdioden Inhaltsverzeichnis 1 Hinweise zum Arbeiten mit Lasern 2 1.1 Allgemeine Hinweise............................... 2 1.2 Hinweise zum verwendeten Laser........................ 2 2 Einleitung 3 3 Grundlagen der Halbleiterlaser 3 3.1 Der Laser..................................... 3 3.2 Die LED...................................... 4 3.3 Die Laserdiode.................................. 6 3.4 Das Strahlprol.................................. 7 4 Versuchsdurchführung 8 4.1 Stromspannungskennlinie von LED bzw. Laserdiode.............. 8 4.2 Stromlichtleistungskennlinie von LED bzw. Laserdiode............ 8 4.3 Spektrum von LED bzw. Laserdiode...................... 9 4.4 Strahlprol der Laserdiode............................ 10 4.5 M 2 -Wert der Laserdiode............................. 10 5 Anhang - Funktionsweise der Messgeräte 11 5.1 Der Siliziumdetektor (aus [Mesc05])....................... 11 5.2 Das Digital-Multimeter.............................. 11 5.3 Das Spektrometer................................. 11 5.4 Die CMOS-Kamera................................ 12 5.5 Der Beam-Expander (aus [Thön04])....................... 12 6 Aufgaben 13 Literaturverzeichnis 14 EL-V5-1

1 Hinweise zum Arbeiten mit Lasern 1.1 Allgemeine Hinweise Beim Arbeiten mit Lasern ist grundsätzlich äuÿerste Vorsicht geboten. Trit ein Laserstrahl die Netzhaut, entsteht sofort eine Verbrennung, welche zur Vernarbung der Netzhaut und damit zur Blindheit führen kann. Deshalb: Schauen sie niemals direkt in einen Laserstrahl! In Laboren, in denen mit Lasern gearbeitet wird, ist es verboten reektierenden Schmuck wie Uhren, Ringe oder Ketten zu tragen, da diese ungewollt den Laser reektieren und sie so jemandem Schaden zufügen könnten. Des Weiteren sollte der Laserstrahl den Tisch nicht verlassen, um keine zusätzliche Gefahr für andere Personen im Labor darzustellen. 1.2 Hinweise zum verwendeten Laser Die in diesem Praktikum verwendete Laserdiode emittiert Licht der Wellenlänge 650nm. Das bedeutet, sie werden an den Stellen, an denen der Laser auf Gegenstände trit einen roten Punkt sehen. Den Laserstrahl an sich können sie nicht sehen. Daher ist hier Vorsicht geboten. Begeben sie sich niemals auf Augenhöhe mit der Laserdiode, so lange diese eingeschaltet ist! Müssen sie dies zur besseren horizontalen Ausrichtung des Aufbaus tun, schalten sie vorher auf jeden Fall die Laserdiode aus! Die verwendete Laserdiode wird kommerziell zum Beispiel in DVD-Playern verwendet. Ihre maximale optische Ausgangsleistung beträgt 7mW. Bei solch hohen Leistungen müssten zum Schutz der Augen Schutzbrillen getragen werden. Jedoch ist in diesem Versuch die Strombegrenzung des Lasertreibers so eingestellt, dass die Ausgangsleistung der Laserdiode 1mW nicht überschreiten kann. Es ist wichtig, dass sie niemals den Begrenzungsstrom erhöhen, da sonst eine Gefahr für sie und andere besteht. Ist die optische Ausgangsleistung auf weniger als 1mW begrenzt, ist bei sichtbarem Laserlicht das tragen einer Schutzbrille nicht zwangsläug notwendig, da sie ihr Liedschlussreex vor Schaden bewahren sollte. Dies bedeutet aber nicht, dass bei längerem Blick in den Laser keine Gefahr für ihre Augen besteht. Schauen sie deshalb niemals direkt in den Laserstrahl! EL-V5-2

2 Einleitung Seit der Erndung des Halbleiterlasers im Jahre 1962 hat sich eine Vielzahl von Anwendungen für diese Technologie entwickelt, die in unserem Alltag ganz selbstverständlich Verwendung nden: CD-Player, Laserdrucker, Glasfasertelekommunikation und Laserradarpistolen sind nur einige Beispiele. Doch wie funktioniert so ein Halbleiterlaser überhaupt? Wozu kann er verwendet werden und wozu nicht? Um Antworten auf diese Fragen zu erhalten, sollen in diesem Praktikumsversuch die grundlegenden Eigenschaften von Halbleiterlasern genauer untersucht werden. 3 Grundlagen der Halbleiterlaser 3.1 Der Laser Um die Wirkungsweise des Halbleiterlasers verstehen zu können, wird hier zunächst das allgemeine Grundprinzip des Lasers näher erläutert. Im Laser wird das Licht durch sogenannte stimulierte Emission erzeugt (LASER: Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation). Die Wechselwirkungen von Atomen und Licht wurden von Albert Einstein in drei Fälle eingeteilt (vgl. Abb.1): Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission. Bild 1: Wechselwirkungen von Licht und Atomen aus [G. S05] Bei der Absorption wird ein Photon absorbiert. Die Energie des Photons veranlasst dabei den Übergang eines Elektrons in einen höheres Energieniveau (Abb.1(a)). Bei der spontanen Emission verlässt ein Elektron ein höheres Energieniveau und die dabei frei werdende Energie wird in Form eines Photons mit der Energie E ph = h f abgestrahlt (Abb.1(b)). Im Fall der stimulierten Emission (Abb.1(c)) wird ein Elektron durch ein einfallendes Photon dazu veranlasst, in einen niedrigeren Energiezustand zu wechseln und dabei ein weiteres Photon zu emittieren. Dieses zweite Photon ist mit dem eingestrahlten Photon absolut identisch, man beschreibt beide Photonen als zur selben Mode zugehörig. Da man die beiden Photonen messtechnisch nicht von einander unterscheiden kann, besitzt das durch stimulierte Emission erzeugte Licht ganz besondere Eigenschaften, die man unter dem Begri "`Kohärenz"' zusammenfassen kann. Die Kohärenz-Eigenschaft unterscheidet den Laser von anderen Lichtquellen. Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission treten in allen Lichtquellen auf. Der Laser ist allerdings eine spezielle Lichtquelle in der die stimulierte Emission gegenüber der spontanen Emission überwiegt. Ein Laser besteht stets aus einem Lasermedium und einem Laserresonator. Das Lasermedium ist ein lichtverstärkendes Medium, in dem durch äuÿere Zuführung von Energie, dem sogenannten Pumpen, EL-V5-3

eine Besetzungsinversion erzeugt werden kann. Eine Besetzungsinversion liegt dann vor, wenn sich mehr Elektronen im höheren Laserniveau benden als im niedrigeren. Diese Besetzungsinversion ist notwendig, um die Emissionsprozesse genüber der Absorption zu begünstigen. Der Laserresonator ist erforderlich, um die stimulierte Emission gegenüber der spontanen Emission zu begünstigen. Ein Laserresonator besteht stets aus zwei Spiegeln zwischen denen das Licht mehrere Umläufe absolviert ehe es ausgekoppelt wird. Der Abstand dieser beiden Resonatorspiegel bestimmt den Abstand der durch den Resonator begünstigten Frequenzen im Spektrum. Nur für diese Frequenzen bilden sich im Resonator stehende Wellen aus, d.h. nur Licht dieser Frequenzen läuft fortwährend im Resonator hin und her. Füllt man nun den Resonator mit dem Lasermedium, so bedeutet dies, dass für bestimmte Frequenzen die zugehörigen Photonen immer wieder durch das Lasermedium geschickt werden. Ein Photon, das auf das Lasermedium trit löst dort in dem hier vorgestellten Modell entweder Absorption oder stimulierte Emission aus. Wegen der Besetzungsinversion in erster Linie stimulierte Emission. Die dabei entstehenden zwei Photonen laufen ihrerseits weiter im Resonator hin und her, da sie ja mit dem zuvor eingefallenen Photon völlig identisch sind und tragen somit zu weiteren stimulierten Emissionen bei. Auf diese Weise wird eine Art Kettenreaktion ausgelöst, die zur Folge hat, dass sich im Resonator hauptsächlich stimuliert emittierte Photonen benden, man spricht hierbei von einer Photonen Umverteilung zugunsten einer bestimmten Mode. Auf diese Weise erhält man also kohärentes Licht, d.h. Licht das aus nicht voneinander unterscheidbaren Photonen besteht. Diese Kohärenzeigenschaft hat zur Folge, dass Laserlicht theoretisch auf einen beliebig kleinen Punkt fokussiert werden könnte, da alle Photonen, die auf die Fokussierungslinse treen in gleicher Weise gebrochen werden. Aufgrund von Beugungseekten ist dies in der Praxis jedoch nicht möglich (Stichwort: Beugungsbegrenzung). Dennoch lassen sich Laser deutlich kleiner Fokussieren als andere Lichtquellen. Dies führt einerseits dazu, dass sich die optische Leistungsdichte enorm erhöht, was beispielsweise bei der Materialbearbeitung mit Lasern genutzt wird, und erlaubt andererseits eine feinere optische Auösung, die zum Beispiel die Speicherdichte einer CD bestimmt. Bei dem in diesem Praktikumsversuch verwendeten Laser handelt es sich um einen Halbleiterlaser, auch Laserdiode genannt. Das Lasermedium eines Halbleiterlasers ist ein p-n-halbleiterübergang. Doch auch bei einer LED (Light emitting diode) wird ein recht ähnlicher p-n-halbleiterübergang zur Lichterzeugung verwendet. Eine LED besitzt jedoch im Gegensatz zum Halbleiterlaser keinen Resonator und emittiert daher in erster Linie spontan. Die LED soll in diesem Praktikumsversuch als Modell für das Lasermedium und als vergleichbare inkohärente Lichtquelle dienen. Bei Halbleiterlasern wird die Pumpenergie durch Anlegen eines elektrischen Stromes geliefert. Der Laserresonator entsteht durch die verspiegelten Bruchkanten des Halbleitermaterials. Auf den Aufbau von LED und Halbleiterlaser soll im Folgenden näher eingangen werden. 3.2 Die LED Sowohl LEDs als auch Laserdioden bestehen aus Halbleitermaterialien und basieren auf dem sog. pn-übergang. Das bedeutet, dass durch Strominjektion Elektron-Loch-Paare gebildet werden, die bei Rekombination Strahlung erzeugen. Bei einer LED wird der pn-übergang in Durchlassrichtung (+ am p-kristall, - am n-kristall) betrieben (Abb.2). Die injizierten Elektron-Loch-Paare rekombinieren in der aktiven Zone (Sperrschicht bzw. Raumladungszone), wobei es je nach Halbleitermaterial zu unterschiedlichen Lumineszenzmechanismen EL-V5-4

kommt. Es gibt direkte und indirekte Halbleiter, die sich durch ihre Bandstruktur unterscheiden. Beim direkten Halbleiter liegt das Leitungsbandminimum über dem Valenzbandmaximum, wohingegen sie beim indirekten Halbleiter verschoben sind, wie in der folgenden Abbildung (Abb.3 und Abb.4)zu sehen ist. Bild 2: LED-Injektionsprozess aus [Bhat97] Bild 3: Bandstruktur eines direkten Halbleiters (Wikipedia) Bild 4: Bandstruktur eines indirekten Halbleiters (Wikipedia) EL-V5-5

3.3 Die Laserdiode Vereinfacht kann man einen Halbleiterlaser als LED mit Spiegeln beschreiben, wobei noch weitere Spezialisierungen zur praktischen Umsetzung von Laserdioden notwendig sind. Auÿerdem kann eine Laserdiode im Gegensatz zur LED nur mit direkten Halbleitermaterialien realisiert werden, da in diesem Fall Rekombinationsprozesse wahrscheinlicher sind. Als Resonatorspiegel werden die Bruchkanten des Halbleitermaterials verwendet. Der Brechzahlunterschied vom Halbleitermaterial zur Luft (nhl Re ektivität von ca. R1 = 30%. 3,5 und nluf t 1) liefert bereits eine Um die Güte des Resonators zu erhöhen wird die Re ekti- vität einer der beiden Spiegel zusätzlich mit einer speziellen Beschichtung auf ca. R2 = 98% erhöht. Man erhält auf diese Weise einen Spiegel an dem das Laserlicht ausgekoppelt wird (R1 ), die sogenannte Frontfacette, und eine hochverspiegelte Rückfacette (R2 ). Der Resonator sorgt dafür, dass das Licht rückgekoppelt wird und innerhalb der aktiven Zone (die als verstärkendes Medium dient) hin- und herläuft. Dadurch wird Licht einer bestimmten Wellenlänge verstärkt und emittiert. Die Wellenlänge ergibt sich aus dem Abstand der beiden Resonatorspiegeln (2nL = kλ). Von den daraus resultierenden möglichen Wellenlängen (sog. Moden) schwingt nur diejenige an, die am nächsten am Maximum der Verstärkungskurve liegt(abb.5). Ohne den Resonator ergäbe sich ein breites Emissionsspektrum wie bei der LED. Die Voraussetzung um Verstärkung zu erzielen, ist eine ständige Energiezufuhr von Bild 5: Prinzipieller Verlauf der Verstärkungskurve und der Resonatormoden eines Halbleiterlasers auÿen, Pumpen genannt. Je nach Lasertyp existieren verschiedene Pumpvorgänge. Beim Halbleiterlaser wird in der Regel elektrisch gepumpt(abb.6). Für die praktische Realisierung von Halbleiterlasern muss dafür gesorgt werden, dass die optischen Verluste stark reduziert werden, um auch bei Raumtemperatur Laserbetrieb zu erreichen und den Schwellstrom Bild 6: Prinzipieller Aufbau einer Laserdiode aus [Reid05] EL-V5-6

Bild 7: Schichtaufbau einer GaAlAs-Doppel-Heterostruktur-Laserdiode des Lasers zu verringern. Das wird durch eine Wellenführung realisiert, die anhand der folgenden Abbildung (Abb.7) erläutert wird. Sie zeigt eine sogenannte Heterostruktur- Laserdiode, die aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken besteht. Durch die Brechzahlunterschiede der einzelnen Materialien sorgen für eine Wellenführung in der aktiven Zone. Die unterschiedlichen Bandlücken erzeugen Energiebarrieren, die zu einer erhöhten Konzentration von Elektronen und Löchern in der aktiven Zone führen. Auÿerdem wird die aktive Zone durch die Ausdehnung des oberen Anschlusses zusätzlich in lateraler Richtung begrenzt (sog. Gainguiding). 3.4 Das Strahlprol Ein wichtiges Qualitätsmerkmal einer Laserdiode stellt ihr Strahlprol dar. Idealerweise sollte ein Laser ein gauÿförmiges Strahlprol aufweisen. Das bedeutet, dass das Intensitätsprol quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles gauÿförmig ist und der Lichtstrahl eine endlichen Fokusdurchmesser besitzt(abb.8). Der Strahldurchmesser im Abstand z vom Fokus ergib sich aus: w(z) 2 = w0[1 2 + ( λz ) 2 ] wobei w πw0 2 0 den minimalen Strahlradius im Fokuspunkt bezeichnet. Bild 8: Seitenansicht eines Gauÿschen Strahls aus [G. S05] Der Gauÿstrahl wird durch eine minimale Taillenbreite ω 0 und einen Divergenzwinkel Θ charakterisiert. Bei allen optischen Transformationen gilt für diesen Gauÿstrahl stets ω 0 Θ =const. Wie genau ein Laserstrahl dem idealen Gauÿstrahl entspricht kann mit Hilfe des sogenannten M 2 -Faktor bestimmt werden. Die Berechnungsformel lautet: M 2 = ω 0 Θπ. λ Ein Wert von "`1"' entspricht einem idealen Gauÿschen Strahl. EL-V5-7

4 Versuchsdurchführung In den einzelnen Teilversuchen dieses Praktikums sollen die Unterschiede zwischen LED und Laserdiode genauer untersucht werden. Dabei werden die elektrischen und die optischen Eigenschaften sukzessive miteinander verglichen. 4.1 Stromspannungskennlinie von LED bzw. Laserdiode Dieser erste Teilversuch vergleicht die rein elektrischen Eigenschaften (nämlich den dierentiellen Widerstand) der beiden Bauelemente miteinander. Folgende Geräte werden für den Versuchsaufbau benötigt: Digital-Multimeter Laserstromquelle LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung Anschlusskabel Bild 9: Aufbau zur Stromspannungskennlinienmessung Bei diesem Versuch wird die über dem jeweiligen Bauteil abfallende Spannung in Abhängigkeit vom durch die Laserstromquelle vorgegebenen Strom mit Hilfe des Digital-Multimeters gemessen (siehe Abb.9). Durch Umpolung ist auch das Verhalten für negative Ströme messbar (Durchbruchspannung beachten!). Die Ergebnisse sollen in je einer U-I-Kennlinie festgehalten werden. 4.2 Stromlichtleistungskennlinie von LED bzw. Laserdiode Nachdem im vorherigen Teilversuch die rein elektrischen Eigenschaften untersucht wurden, geht es nun in diesem Experiment darum, die emittierte Lichtleistung in Abhängigkeit vom Strom zu bestimmen. Die für den in Abb.10 dargestellten Aufbau benötigten Geräte können der nachfolgenden Liste entnommen werden. Siliziumdetektor auf xyz-verschiebetisch Digital-Multimeter Laserstromquelle EL-V5-8

Bild 10: Aufbau zur Stromlichtleistungsmessung LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung Kollimationslinse mit Halterung auf xyz-verschiebetisch Wie Abb.10 zeigt wird das Licht der LED bzw. der Laserdiode zunächst mit Hilfe der Linse kollimiert, d.h. der stark divergente Strahl der Quelle wird in ein quasi-paralleles Lichtbündel umgeformt. Dieser kollimierte Strahl fällt dann auf einen Siliziumdetektor mit nachgeschaltetem Verstärker, dessen Ausgangsspannung mit dem Digital-Multimeter ausgelesen werden kann. Mit diesem Aufbau erhält man eine qualitative Stromlichtleistungskennlinie für das jeweilige Bauelement. Die xyz-verschiebetische werden benötigt, um sowohl die Kollimationslinse als auch den Siliziumdetektor in allen drei Raumachsen optimal zu positionieren. 4.3 Spektrum von LED bzw. Laserdiode In diesem Teilversuch sollen die Spektren der beiden Bauelemente mit einander verglichen werden. Als Geräte für den Aufbau aus Abb.11 werden benötigt: USB-Spektrometer Faser mit Kollimationspacket und Halterung auf xyz-verschiebetisch Laserstromquelle LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung Kollimationslinse mit Halterung auf xyz-verschiebetisch Bild 11: Aufbau zur Messung des Spektrums Für die Messung des Spektrums wird ein USB-Spektrometer verwendet, dessen prinzipielle Wirkungsweise im Anhang näher erläutert wird. Da dieses Spektrometer nur einen Fasereingang besitzt, wird eine Lichtleitfaser mit entsprechender Einkoppelungsoptik verwendet. Das gemessene Spektrum kann über USB im Rechner gespeichert und weiterverarbeitet werden. EL-V5-9

4.4 Strahlprol der Laserdiode Die beiden nachfolgenden Teilexperimente beziehen sich nur noch auf die Laserdiode. In diesem Teilversuch soll zunächst das Strahlprol der Laserdiode vermessen werden. Für den Aufbau aus Abb.12 werden die folgenden Komponenten benötigt: Bild 12: Aufbau zur Messung des Strahlprols Siliziumdetektor auf xyz-verschiebetisch Digital-Multimeter Laserstromquelle LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung Kollimationslinse mit Halterung auf xyz-verschiebetisch 150µm-Blende Beam-Expander Um den Intensitätsverlauf des Laserstrahles genauer vermessen zu können, wird der Strahl zunächst mit Hilfe des Beam-Expanders aufgeweitet. Vor den Siliziumdetektor wird eine 150µm-Blende aufgeschraubt, um den Strahl damit in kleinen Schritten Punkt für Punkt in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung abzurastern. Das Abrastern geschieht manuell mit Hilfe des xyz-tisches. Die mit dem Digital-Multimeter gemessenen Werte aufgetragen über die Position des Detektors ergeben dann ein qualitatives Intensitätsprol des Laserstrahles. 4.5 M 2 -Wert der Laserdiode Zuletzt soll noch die Strahlgüte des Laserdiodenlaserstrahls ermittelt werden. Dies geschieht mit dem in Abb.13 gezeigten Aufbau zur M 2 -Messung, der aus folgenden Komponenten besteht: CMOS-Kamera auf xyz-verschiebetisch Laserstromquelle LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung Kollimationslinse mit Halterung auf xyz-verschiebetisch EL-V5-10

Bild 13: Aufbau zur Messung des M 2 -Faktors Zur Berechnung des M 2 -Faktors muss das Strahlprol der Laserdiode an mehreren Positionen gemessen werden, insbesondere an der Stelle der minimalen Strahltaille. Dazu wird die Kamera an die jeweilige Position gestellt und mit dem Programm WinTV ein Bild des Strahlquerschnitts erstellt. Aus den so gewonnenen Bildern kann dann die Divergenz und die minimale Strahltaille ermittelt werden, aus der sich dann der M 2 -Faktor ergibt. 5 Anhang - Funktionsweise der Messgeräte 5.1 Der Siliziumdetektor (aus [Mesc05]) Die Aufgabe von Detektoren besteht darin, optische Strahlung in elektrische Signale umzuwandeln. Grundsätzlich gibt es eine Reihe von Detektoren mit unterschiedlichen Eigenschaften Der in diesem Praktikum verwendete Detektor ist eine Halbleiter-Photodiode aus Silizium in pin-bauweise. Das bedeutet, dass sich zwischen n- und p-dotiertem Material eine intrinsische Schicht bendet. In der pin-grenzschicht werden, durch Absorption des zu detektierenden Lichts, Elektronen-Loch-Paare gebildet, getrennt und zu den Kontakten transportiert, wodurch ein Stromuss hervorgerufen wird. Dieser Strom wird in einem Verstärker in eine verstärkte Spannung umgewandelt. 5.2 Das Digital-Multimeter Das Digital-Multimeter wird zum messen unterschiedlicher elektrischer Gröÿen (Strom, Spannung, Widerstand) verwendet. Es wandelt die zu messenden analogen Werte in einem A/D-Wandler in digitale Werte und zeigt diese auf dem Display an. 5.3 Das Spektrometer Zur Messung des emittierten Spektrums der verwendeten Lichtquelle wird ein Gitterspektrometer verwendet. Bei der optischen Zelle des hier verwendeten USB-Spektrometer TRISTAN R (s. Abb.14) handelt es sich um einen asymmetrischen Czerny-Turner Aufbau. Die zu messende Strahlung wird über einen Faserstecker durch einen Spalt in die Zelle eingekoppelt. Der erste Spiegel dient lediglich zur Umlenkung des Strahls auf einen weiteren Spiegel. Er kollimiert den Strahl und reektiert ihn auf ein optisches Gitter. Hier wird das Spektrum des Strahles in seine Bestandteile aufgespalten, reektiert und über einen Fokussierspiegel auf den optischen Sensor projiziert. Der Sensor nimmt die spektral zerlegte Strahlung auf EL-V5-11

und wandelt sie in ein analoges elektrisches Signal um. Je nach Spektralbereich werden unterschiedliche Sensoren für die Detektion eingesetzt. Bild 14: Aufbau des USB-Spektrometers aus [ulp96] 5.4 Die CMOS-Kamera CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor und bezeichnet eigentlich nur ein bestimmtes Herstellungsverfahren (die einzelnen Gatter sind komplementär aufgebaut). Ein CMOS-Sensor ist ein Halbleiterdetektor, der mit diesem Verfahren hergestellt wurde. Wie bereits bei den Detektoren beschrieben, erzeugen die absorbierten Photonen Elektronen- Loch-Paare die eine zur Intensität des Lichts proportionale Ladung bewirken. Sie wird in parallel geschalteten Kondensatoren gespeichert, bis sie durch eine Steuerelektronik abgerufen wird. Ein Bildsensor besteht aus einer Matrix von Pixeln, die einzeln ausgelesen werden. Um ein Farbbild zu erhalten, wird vor jeden Pixel ein roter, grüner oder blauer Filter gelegt. Die in diesem Praktikum verwendete CMOS- Kamera kann allerdings nur schwarz-weiÿ Bilder erzeugen. Die Aufnahmen der Kamera werden mit Hilfe einer Videokarte im Rechner gespeichert. Die Bedienoberäche der Videokartensoftware ist in Abb.15 zu sehen. Um einen Schnappschuss zu machen, klickt man auf die Schaltäche mit dem Kamerasymbol und ein Standbild vom aktuell sichtbaren Video wird gespeichert. Ein sogenannter "`Thumbnail"' (verkleinerte Vorschau) des Standbildes wird daraufhin in der Schnappschuss-Vorschauleiste angezeigt. Doppelklicken Sie auf den "`Thumbnail"', um es in der vollen Gröÿe zu sehen. Nun kann das Bild über das Menü "`Datei"' / "`Speichern unter..."' auf die Festplatte gespeichert werden. Über den Button CFG kann die Schnappschuss-Funktion konguriert werden. 5.5 Der Beam-Expander (aus [Thön04]) Beam Expander sind Strahlaufweitungssyteme, die aus zwei optischen Teilsystemen bestehen (Eintritts- und Austrittsoptik). Sie sind so angeordnet, dass der bildseitige Brennpunkt der Eintrittsoptik f ein mit dem objektseitigen Brennpunkt der Austrittsoptik f aus zusammenfällt. Der Quotient des Austrittstrahldurchmessers D aus zum Durchmesser des unaufgeweiteten Strahls D ein vor dem Beam Expander wird als das Aufweitungsverhältnis m bezeichnet und lässt sich mit folgender Formel berechnen: m = f aus (mit f f ein ein als Brennweite der Eintrittsoptik und f aus als Brennweite Austrittsoptik). Es gibt prinzipiell zwei Arten EL-V5-12

Bild 15: Die Bedienoberäche der Videokarte der optischen Realisierung von Beam Expandern: die Galilei- und die Kepler-Anordnung (s. Abb.16). Die Galilei Konguration besteht aus einer Linse negativer Brennweite gefolgt von einer Linse mit positiver Brennweite. Die Kepler-Anordnung besteht aus zwei positiven Linsen. In diesem Versuch wird ein Beam-Expander mit Galilei Konguration verwendet. Diese Konguration vermeidet einen Zwischenfokus, was vor allem bei der Verwendung von Hochleistungslasersystemen notwendig ist. Bild 16: Die typischen Beam-Expander-Typen 6 Aufgaben 1. Was ist der Unterschied zwischen einer LED und einer Laserdiode? 2. Zeichnen Sie qulitativ wie ein gauÿscher Strahl durch eine bi-konvexe Linse verändert wird. 3. Wie ändert sich der M 2 -Faktor durch eine Strahlaufweitungsoptik? 4. Welches Aufweitungsverhältnis besitzt ein galileiischer Beam-Expander, der aus einer konkaven Linse mit einer betragsmäÿigen Brennweite von 30 mm und einer konvexen Linse mit einer betragsmäÿigen Brennweite von 90 mm besteht? EL-V5-13

5. Was ist der Unterschied zwischen Strahlenoptik und gauÿscher Strahlenoptik? 6. Weshalb ist ein indirekter Halbleiter als Lasermaterial ungeeignet? Literatur [Bhat97] P. Bhattacharya: Semiconductor Optoelectronic Devices. 1997. Prentice Hall Verlag, [G. S05] G. R. G. Schiner: Einführung in die grundlagen der lasertechnik. Vorlesungsskript, 2005. [Mesc05] D. Meschede: Optik, Licht und Laser. Teubner Verlag, 2005. [Reid05] G. A. Reider: Photonik: Eine Einführung in die Grundlage. Springer Verlag, Wien, New York, 2005. [Rubi89] G. Rubin: The Essential Beam Expander. EDA digest, 1989. [Thön04] T. Thöniÿ: Laseraufweitungssysteme. Linos optolines No.1, 1.Quartal 2004. [ulp96] F. und L. Pedrotti: Optik: Eine Einführung. Prentice Hall Verlag, 1996. EL-V5-14