YAG-Laser - Universität Potsdam

Universität Potsdam
Institut für Physik
Physikalisches Praktikum für Fortgeschrittene
2009
O2
1.
Nd: YAG-Laser
Versuchsziel
Der erste, 1960 realisierte Laser war ein Festkörperlaser mit einem Rubinkristall als
aktivem Medium. Dieser Lasertyp zeichnet sich durch einen relativ einfachen
kompakten Aufbau aus. Die Anregung wird ausschließlich durch optisches Pumpen
realisiert. Es kann sowohl kontinuierlich als auch gepulst erfolgen. Heute ist der
Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG) der wichtigste Festkörperlaser. Mit
ihm werden höchste Strahlungsleistungen im cw (continuous wave)-Betrieb und auch im
Impuls-Betrieb bei Repetitionsraten von ca. 80 MHz erreicht. Bei geringen Leistungen
werden aufgrund der effektiveren Absorption zunehmend Halbleiterlaser, deren
Wellenlänge durch Temperaturvariation und deren Leistung durch den Injektionsstrom
eingestellt werden können, als Pumplichtquellen eingesetzt. Für viele Anwendungen
wird die infrarote Nd:YAG-Laser-Strahlung frequenzverdoppelt. Damit wird ein Laser
realisiert, der Strahlung im grünen Spektralbereich (532 nm) emittiert.
Beim Versuch wird aus einzelnen optischen Komponenten (Pumplichtquelle,
Laserkristall, Resonatorspiegel) auf einer optischen Bank ein dioden-gepumpter
Nd:YAG-Laser aufgebaut, der die Untersuchung der physikalischen Grundlagen des
Lasers ermöglicht. Das Pumpen erfolgt mit einer Laserdiode, deren Temperatur und
Injektionsstrom regelbar sind. Die Messung der Strahlung erfolgt mit einer Fotodiode
zusammen mit einem Oszilloskop.
1
Experimentelle Aufgabenstellung:
1. Charakterisierung des Diodenlasers
1.1.
Temperaturabhängigkeit:
Die
Temperaturabhängigkeit
der
Emissionswellenlänge der Laserdiode ist für zwei Injektionsströme aufzunehmen
(zu beachten ist die Laserschwelle von ca. 150 mA).
1.2.
Leistungskennlinie: Die Abhängigkeit der Austrittsstrahlungsleistung vom
Injektionsstrom ist für zwei verschiedene Temperaturen zu ermitteln.
2.
Charakterisierung des Nd:YAG-Kristalls
2.1.
Absorptionsspektrum: Im Wellenlängen-(Temperatur-)Bereich der Laserdiode
ist bei maximalen Diodenstrom das Absorptionsspektrum des Nd:YAG-Kristalles
aufzunehmen und die günstigste Pumpwellenlänge zu bestimmen.
2.2
Kalibrierung: Bei der optimalen Pumpwellenlänge ist nun nochmals eine
Leistungskennlinie aufzunehmen für eine spätere Kalibrierung der Pumpleistung.
2.3.
Lebensdauermessung: Aus der Echtzeitmessung der spontanen Emission des
Kristalls bei rechteckmoduliertem Pumpen ist die Lebensdauer des metastabilen
Laserniveaus zu bestimmen.
3.
3.1.
Der Nd:YAG-Laser
Aufbau: Aus den einzelnen Komponenten ist auf einer optischen Schiene ein
diodengepumpter Nd:YAG-Laser aufzubauen und zu justieren.
Laserleistung: Die Laserleistung wird als Funktion der Pumpleistung im cwBetrieb aufgenommen und die Laserschwelle bestimmt.
Wellenlängenabhängigkeit:
Die
aufzunehmende
Abhängigkeit
der
Laserleistung von der Pumpwellenlänge ist mit dem Absorptionsspektrum des
Nd:YAG-Kristalls zu vergleichen.
Leistungsskalierung: Durch die Optimierung der Linsenposition und der
Resonatorgeometrie (Justage) soll die Leistung des Nd:YAG Lasers über 90 mW
gesteigert werden.
Transversalmoden: Ist der Laser optimal Justiert, dann ist in Abhängigkeit von
der Pumpleistung unterschiedliche Transversalmoden aufzunehmen. Die
Messung erfolgt mit einer CCD-Kamera. Für die Aufnahme ist das Programm
MV-Vision zu verwenden.
Spiking: Mit Hilfe des modulierten Pumpens sind die Nichtgleichgewichtsprozesse beim Einschalten des Lasers (spiking) bei verschiedenen
Modenstrukturen zu registrieren.
Güteschaltung: Nach Einbau des sättigbaren Absorbers (Cr4+:YAG) soll die
zeitliche Struktur der Pulse mit einer Photodiode aufgenommen werden. Es sind
die Pulsbreite und die Wiederholrate der Pulse zu bestimmen. Damit die
Güteschaltung funktioniert, muss der Laser optimal justiert sein, d.h. die Justage
vor diesem Versuchsabschnitt nochmals überprüfen.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
2
3.8.
3.9.
2.
Frequenzverdopplung: Nach Einbau eines Verdopplerkristalls in den Resonator
und unter Verwendung eines höher reflektierenden Auskoppelspiegels ist die
grüne Ausgangsleistung als Funktion der Pumpleistung zu messen.
Longitudinale Moden: Mit einem Fabry-Perot Etalon und einer CCD- Kamera
sind die Longitudinalmoden des Lasers zu bestimmen.
Physikalische Grundlagen
Die Grundlagen der Physik des Lasers sind in der angegebenen Literatur dargestellt.
3.
Meßverfahren
Justieranleitung für den Nd:YAG-Laser:
Frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser
Teilreflektierender
Spiegel
Linse
Frequenzverdopplungs-Kristall
Diodenlaser
Kollimator
HR-Spiegel + Nd:YAG-Kristall
Abbildung 1: Skizze des Nd:YAG Lasers mit Frequenzverdopplungskristall
Zuerst wird der Auskoppelspiegel senkrecht zur Pumpstrahlung ausgerichtet. Dazu wird
eine kleine Lochblende (Fadenkreuz) zwischen Kollimator und Fokussierlinse
positioniert.
Der Spiegel wird so eingerichtet, daß der Reflex des Pumplichtes von der Oberfläche
genau durch die Lochblende wieder zurückläuft. Als nächstes wird der Laserstab, der
auch gleichzeitig der hochreflektierende Spiegel ist in den Fokus der Pumpstrahlung
gestellt. Auf die gleiche Weise wie der Auskoppelspiegel wird nun der Laserstab mit
Hilfe des Pumpstrahles justiert. Grundsätzlich ist zu beachten, dass die Gesamtlänge
des Resonators nicht länger als 10 cm ist. Die Feineinstellung der Spiegel erfolgt auf
maximale Laserenergie.
Besonders günstig ist es, wenn zur Kontrolle des Laserbetriebes der Fotodetektor zur
Hilfe genommen und mit modulierter Anregung gearbeitet wird. Dazu wird der Ausgang
des Fotoverstärkers an einen der Oszilloskopkanäle angeschlossen und ein
empfindlicher Messbereich gewählt.
Ein Filter RG 1000, direkt vor der Fotodiode positioniert, absorbiert die Pumpstrahlung
und läßt erst oberhalb 1000 nm die infrarote Nd-YAG-Laserstrahlung hindurch.
Der Auskoppelspiegel wird solange justiert, bis die Oszillationen der Laserstrahlung
beobachtet werden können. Durch Kontrolle an allen Justierschrauben wird der Laser
auf ein maximales Signal (Sättigung) eingestellt.
Mit einem IR-Sichtgerät kann die infrarote Strahlung als grüner Fleck auf einem Schirm
beobachtet werden
3
4.
Hinweise zur Versuchsdurchführung und -auswertung
Justage des Diodenlasers:
Das Diodenlasermodul wird auf das eine Ende der Schiene aufgesetzt und mit dem
Steuergerät, das sich im stromlosen Zustand befindet, verbunden.
Alle Regler befinden sich am Linksanschlag. Die rote Warnlampe auf dem
Diodenlasermodul signalisiert das Auftreten von Laserstrahlung.
Die infrarote Laserstrahlung kann mit dem IR-Sichtgerät beobachtet werden. Das Licht
des Diodenlasers ist aber auch noch bei abgedunkeltem Raum auf einem Stück weißen
Papier zu sehen.
Achtung: Einhaltung der Sicherheitsvorschriften beachten!
Bei jedem Wechsel eines optischen Bauelementes ist der Laser auszuschalten!
Mit dem Kollimator (f = 6 mm) wird paralleles Licht erzeugt. Aufgrund der sehr geringen
Brennweite ist diese Linse sehr justierempfindlich und sollte daher nur sehr wenig
bewegt werden. Der Strahlverlauf kann auch durch Verstellen der Justierschrauben am
Diodenlaser verändert werden und sollte am Begin der Experimente auf seinen zur
Achse der optischen Bank parallelen Verlauf hin überprüft werden.
Wellenlängenmessung:
Die vom Diodenlaser im cw-Betrieb (Schalter: MODULATOR off) abgegebene
Laserstrahlung wird auf den Detektor des Wavemeters abgebildet und die Wellenlänge
abgelesen. Bei festem Injektionsstrom wird so für jede Temperatur die zugehörige
Emissionswellenlänge bestimmt. Da insbesondere bei dem maximalen Diodenstrom die
Leistung der Laserdiode zu groß ist für den Messkopf, muss der Laserstrahl mit
Graugläsern (NG Filter) oder mit einem Stück weißen Papier abgeschwächt werden. An
Hand der Graphen soll die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge ermittelt
werden (in [nm/ °C])
Leistungsmessung:
Leistungskennlinie des Diodenlasers
600
T = 25.1°C
T = 10.9°C
Pout [mW]
500
400
300
Steigung = 0.9 W/A
200
100
0
0
200
400
600
800
1000
Iin [mA]
Abbildung 2: Leistungskennlinie der Laserdiode für zwei verschieden
Diodentemperaturen
4
Mit einem Leistungsmesser (Powermeter) wird die Ausgangsleistung der Laserdiode als
Funktion des Injektionsstromes für zwei feste Temperaturen gemessen.
Dazu wird das Licht des Diodenlasers mit dem Kollimator und der Fokussierlinse
(f=60mm) auf den Detektorkopf des Leistungsmessers abgebildet. (Zu beachten ist, die
Wellenlängenabhängigkeit des Meßgerätes und der sich am Meßkopf befindende
Abschwächer). Der Laserstrahl sollte nicht von der Öffnung des Messkopfes
abgeschnitten werden.
Zur Auswertung, aus den Leistungskennlinien soll die Laserschwelle und die Steigung
(differentielle Wirkungsquerschnitt in [W/mA]) ermittelt werden.
Absorptionsspektrum:
Mit dem Kollimator und der Fokussierlinse (f=60mm) wird das Laserdioden- licht in den
Nd:YAG-Stab, der sich in einem Laserspiegeljustierhalter befindet, fokussiert.
Das vom Nd:YAG-Stab transmittierte Licht wird mit dem Powermeter als Funktion der
Diodentemperatur (Wellenlänge) bei maximalen Injek-tionsstrom gemessen. Diese
Meßreihe wird nach Entfernung des Nd:YAG-Stabes wiederholt, um das Spektrum des
auf den Kristall auftreffenden Lichtes zu erhalten. Durch Relativbetrachtung erhält man
das Absorptionsspektrum des Lasermaterials. Zu bestimmen sind die Wellenlängen
maximaler Extinktion und maximaler absorbierter Strahlungsleistung.
Es ist zu überlegen, welche der beiden Wellenlängen beim vorgegebenen
Versuchsaufbau am günstigsten zum Pumpen geeignet ist. Bei dieser Temperatur
werden die weiteren Messungen durchgeführt.
Absorptionsspektrum von Nd:YAG (Quelle NASA)
180
160
Absorption [a.u.]
140
808.2 nm
120
100
80
60
40
20
0
800
802
804
806
808
810
812
814
816
818
820
Wavelength [nm]
Abbildung 3: Absorptionspektrum von Nd:YAG in einem Wellenlängenbereich von
800 nm bis 820 nm.
Messung der Fluoreszenzlebensdauer des Nd:YAG-Kristalls:
Für diesen Versuch wird mit einer Fotodiode dicht hinter dem Nd:YAG-Stab die
Fluoreszenz des Kristalls gemessen. Das nicht absorbierte Pumplicht wird mit einem
RG 1000 - Filter unterdrückt.
Mit Hilfe des Steuergerätes wird die Laserdiode periodisch eingeschaltet (Schalter:
MODULATOR int.) und der Kristall damit rechteckmoduliert zur Fluoreszenz angeregt.
Mit dem Digitaloszilloskop wird das Signal dargestellt und dann auf einer Diskette
abgespeichert. Die Lebensdauer t ist die Zeit, bei der das Fluoreszenzlicht auf den e-ten
Teil abgeklungen ist. Sie entspricht der Lebensdauer des 4F3/2 Niveaus.
5
Aufbau des Nd:YAG-Lasers:
Unter zusätzlicher Verwendung eines Resonatorspiegels für IR-Strahlung mit einer
Reflexion von 98 % wird auf der Schiene der diodengepumpte Nd:YAG-Laser aufgebaut
und entsprechend der Anleitung (Punkt 3.) justiert.
Leistungskennlinie des Diodenlasers
Für die vorher ermittelte optimale Temperatur des Diodenlasers wird die Pumpleistung
durch Variation des Injektionsstromes verändert und die zugehörige cw-Laserleistung
gemessen. Aus den Daten wird die Laser-leistung als Funktion der absorbierten
Pumpleistung ermittelt. Aus der grafischen Darstellung entsprechend der Gleichung
eines idealen Lasers
T
E32
) (Pp - Pth)
Pa = η (
T +L
E41
mit
Pa = Laserausgangsleistung
η = Pumpwirkungsgrad (Quantenausbeute)
E32 = Energie der Laserstrahlung
E41 = Energie der Pumpstrahlung
Pp = Pumpleistung
Pth = Schwellpumpleistung
T = Transmission des Auskoppelspiegels
L = Verluste im Resonator
⎛ ν 32 ⎞ T
⎟
σs = η ⎜
⎝ ν 41 ⎠ T + L
sind die Schwellpumpleistung und der differentielle Wirkungsgrad (slope efficiency) zu
bestimmen. Für die verwendete Pumpwellenlänge ist unter der Voraussetzung eines
verlustlosen idealen Lasers der Pump-wirkungsgrad zu berechnen.
Zusätzlich ist der optische Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis aus Ausgangsleistung zur
optischen Pumpleistung sowie der Gesamtwirkungsgrad zu bestimmen. Die dafür
benötigte Spannung an der Laserdiode beträgt ca. 1.9 V.
Leistungsskalierung:
Für die Leistungsskalierung wird der Pumpstrahl dem Modenbild des Resonators
angepasst. Dafür ist ein optimaler Abstand der beiden Linsen zu finden. Der Laser sollte
nun eine maximale Ausgangsleistung von mindestens 90 mW liefern. Ist der Laser
optimal justiert, soll eine Leistungskennlinie erstellt und daraus der differentielle
Wirkungsquerschnitt ermittelt werden. Für alle weiteren Experimente wird diese
optimale Pumpanordnung verwendet.
Temperaturabhängigkeit der Nd: YAG Laserleistung:
6
Für einen konstanten Injektionsstrom wird die Temperatur (Pumpwellen-länge) variiert
und die jeweilige Laserleistung gemessen. Die Abhängigkeit ist vergleichend mit dem
Absorptionsspektrum zu diskutieren.
Transversale Modenstruktur:
Die transversale Struktur der austretenden Laserstrahlung wird mit einer CCD-Kamera,
die mit einem Computer verbunden ist betrachtet. In Abhängigkeit vom Justierzustand
und von der Öffnung der Modenblende im Resonator sind unterschiedliche TEM-Moden
aufzunehmen und zu bezeichnen.
Einschwingverhalten des Nd:YAG Lasers:
Wie bei der Bestimmung der Fuoresenzlebensdauer wird das Einschwingverhalten mit
der Photodiode bestimmt. Sie wird direkt hinter den Auskoppelspiegel positioniert und
mit einem RG 1000 Filter wird die nicht absorbierte Diodenstrahlung abgeschirmt. Um
das Spiking beobachten zu können ist die Laserdiode mit dem modulierten Strom zu
betreiben (Schalter: MODULATOR int.). Das Spiking sollte für zwei verschieden Ströme
mit dem Oszilloskop aufgenommen werden. Einmal kurz über der Laserschwelle und
einmal am Maximum.
0.10
Spiking an der Laserschwelle
Intensity [a.u.]
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0
50
100
150
200
Time[µs]
Abbildung 4: Einschwingverhalten des Nd:YAG Lasers an der Laserschwelle
Güteschaltung:
Für die Güteschaltung wird der sättigbare Absorber in den Resonator gestellt. Der
Absorber ist dabei so dicht wie möglich an den HR-Spiegel zu platzieren. Mit einer
Photodiode ist das Zeitverhalten des Lasers zu detektieren. Dieses Mal bleibt aber die
Modulation aus, d.h. es wird kontinuierlich gepumpt. Zu Messen sind die Pulsbreite, die
Pulsfolgefrequenz und die mittlere Ausgangsleistung. Als Pulsbreite gilt der FWHM (full
width half maximum)-Wert. Aus diesen Werten ist dann die Pulsspitzenleistung zu
errechnen
7
Nd:YAG Laser mit sättigbaren Absorber
1.0
Intensity [a.u.]
rep. frequency = 126 kHz
0.8
0.6
pulse width = 1 µs (FWHM)
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Time [µs]
Abbildung 5: Passiv gütegeschalteter Nd:YAG Laser mit einer Pulsfolgefrequenz von
126 kHz
Frequenzverdopplung des Nd:YAG Lasers:
Für die Frequenzverdopplung wird der Auskoppelspiegel gegen einen mit geringerer
Transmission (ca.0,02%) ausgewechselt. Danach muß auf maximale Ausgangsleistung
justiert werden. Der Frequenzverdopplerkristall mit senkrecht zur Resonatorachse
stehenden Endflächen wird in den Resonator des Nd:YAG Lasers gestellt und so
justiert, daß grüne Strahlung austritt. Resonator und Kristall, sind auf maximale
Ausgangsleistung zu justieren. Die Kontrolle kann mit der Fotodiode erfolgen. Mit einem
BG 18 -Filter wird die nicht umgewandelte IR-Strahlung eliminiert. Die Ausgangsleistung
P2ν ist als Funktion der Pumpleistung zu bestimmen.
Bestimmung der Longitudinal-Moden
Mit Hilfe eines Fabry-Perot-Interferometers soll das Emissionsspektrum des Nd:YAG
Lasers bestimmt werden.
Für die Messung sind einige Justageschritte durchzuführen. In dem Resonator ist eine
Irisblende einzusetzen und soweit zu schließen, dass nur noch der TEM00-Mode
emittiert wird. Der austretende Laserstrahl soll mit einer Zerstreuungslinse aufgeweitet
werden. und dann durch das Etalon gelenkt werden. Mit einer Sammellinse (f = 200
mm) wird in der Brennebene ein Ringmuster erzeugt. Dieses wird mit einer CCD
Kamera aufgenommen.
Es sollen mindestens zwei Ring-Bilder aufgenommen werden. Bestimmen sie an Hand
der Bilder die Anzahl der Longitudinalmoden und deren Abstand.
Aus den Abständen x1 und x2 zweier aufeinanderfolgender freier Spektralbereiche
(FSB) auf der CCD Kamera, kann der Abstand x0 des inneren FSB zum gesuchten
Zentrum durch die Gleichung 3.4 bestimmt und der Ort r entsprechend korrigiert
werden. Die Gleichung 3.4 ist aus dem Zusammenhang zwischen Ordnung k des
Rings und dem Ringradius r für ein gewöhnliches FPI nach Gleichung 3.5 [6]
abgeleitet, mit der Lichtfrequenz ν, dem Brechungsindex n des Materials und der
Dicke d des FPI. Die Größe f ist die Brennweite der Linse, die für die Transformation
des Winkelspektrums hinter dem FPI in eine Ortsverteilung sorgt.
8
x0 =
− x 12 + 2 x 1 x 2 + x 22
2 ⋅ (x1 − x 2 )
2
2 νnd ⎡ 1 ⎛ r ⎞ ⎤
k=
⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥
c ⎣ 2⎝f⎠ ⎦
(3.1)
(3.2)
Aus der Kenntnis des freien Spektralbereichs des 4 mm Etalons aus BK7 von
25,6 GHz kann die Frequenzkalibrierung vorgenommen werden und dadurch der
longitudinalen Modenabstandes bestimmt werden.
5.
Fragen:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Erläutern Sie die Mechanismen Absorption, spontane Emission,
induzierte Emission, optisches Pumpen!
Beschreiben Sie das Vierniveausystem eines Nd-YAG-Lasers!
Erläutern Sie Aufbau und Funktion eines Halbleiterlasers!
Geben Sie einen Überblick über optische Resonatoren!
Was ist unter Spiking zu verstehen?
Wie kann die Laserfrequenz verdoppelt werden?
Erläutern Sie die Feldverteilung der Schwingungsmoden!
Erläutern Sie Methoden der Güteschaltung!
6.
Literatur:
/1/
Weber, H. und B. Herziger:
Laser-Grundlagen und Anwendungen, Weinheim 1972
/2/
Kneubühl F. K. und Sigrist:
Laser, 3. Aufl., Teubner Stuttgart 1991
/3/
Bergmann u. Schäfer:
Lehrbuch der Experimentalphysik Bd.III Optik, Springer Berlin 1987
/4/
Koechner, W.
Solid State Laser Engineering, Springer New York 1996
/5/
Eichler,J. u. H.-J.Eichler:
Laser, Springer Berlin 1990
/6/
Demtröder, W.:
Laserspektroskopie, Springer Heidelberg 1993
9
/7/
Hodgson N., Weber H.
Optical Resonators, Springer New York 1998
/8/
Menzel R.
Photonics, Springer Berlin, Heidelberg 2001
10