Protokoll

Versuch P3: Laserresonator
Protokoll
Von Jan Oertlin und Ingo Medebach
Gruppe 242
8. Dezember 2010
P3
Laserresonator
Inhaltsverzeichnis
1 Theoretische Grundlagen
1.1 Funktionsweise eines Laser .
1.2 Resonator . . . . . . . . . .
1.3 Frequenzverdopplung . . . .
1.4 Laserschutz . . . . . . . . .
1.5 Laserschwelle . . . . . . . .
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2 Durchführung und Auswertung
2.1 Justage mit dem He-Ne-Lasers . . . . . . .
2.2 Spektrum des He-Ne-Lasers . . . . . . . . .
2.3 Inbetriebnahme des Ti:Sa-Lasers . . . . . .
2.4 Bestimmung der Laserschwelle . . . . . . .
2.5 Spektrum des Ti:Sa-Lasers . . . . . . . . .
2.5.1 Anregung höherer Moden . . . . . .
2.6 Spektrum der Fluoreszenz des Ti:Sa-Lasers
2.7 Anwendungen eines Ti:Sa-Lasers . . . . . .
3
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P3
Laserresonator
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1.1
Theoretische Grundlagen
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 E0 auf ein höheres Niveau EA 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 EE . 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 EA und das spontane Abfallen auf ein niedrigeres Niveau EE wird verhindert, dass
die Pumpanregung eine stimmulierte Emission auslösen kann. Wichtig ist, dass die Wahrscheinlichkeit
spontan von EA auf EE zu emitieren höher ist als von EE zurück in den Grundzustand zu fallen. Dadurch entsteht eine Besetzungsinversion. Es sitzen nun, ohne die stimmulierte Emission zu betrachten,
mehr Elektronen auf dem Niveau EE 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 EE 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
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P3
Laserresonator
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.
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P3
Laserresonator
2
2.1
Durchführung und Auswertung
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
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P3
Laserresonator
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.
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P3
Laserresonator
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.
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P3
Laserresonator
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
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P3
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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 Spektrum1 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.
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P3
Laserresonator
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 KerrLinsen-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
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Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Titan:Saphir-Laser, 12.12.2010, 15:25 Uhr
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