Praktikum über Spektroskopie

Praktikum über Spektroskopie
Versuch 8
Nd YAG Laser
Vorbemerkungen:
1. Der linke Abdeckkasten muss bei sämtlichen Experimenten den Diodenlaser, den
Kollimator und die Fokussierlinse auf der optischen Bank abdecken.
2. Grundsätzlich müssen Laserschutzbrillen getragen werden.
3. Uhren und Schmuckstücke an den Händen und Unterarmen müssen vor dem
Versuch abgelegt werden.
4. Der rechte Abdeckkasten darf zu notwendigen Manipulationen an den optischen
Komponenten entfernt werden, danach ist die optische Bank wieder abzudecken.
5. Es dürfen keine Manipulationen an
Versuchsaufbaus vorgenommen werden:
den
folgenden
Komponenten
•
Diodenlaser (A in Abb. 1)
•
Kollimator (B in Abb. 1)
•
Fokussierlinse (C in Abb. 1)
•
Ort des Nd YAG Kristalls auf der optischen Bank (D in Abb. 1)
des
6. Eine Berührung der optischen Elemente in den Modulen mit den Fingern muss
unbedingt vermieden werden.
Aufgaben:
1. Messen Sie einen Ausschnitt des relativen Transmissionsspektrums des Nd YAG Kristalls.
Variieren Sie dazu die Wellenlänge des Diodenlasers (Pumplasers) mittels dessen
Temperatur. Es ist zweckmäßig, den Diodenlaser mit einem Injektionsstrom von 500 mA
und im Temperaturintervall zwischen 7° C und 45° C im Dauerstrich-Modus (Schalter
„Modulator“ in der Stellung „Off“) zu betreiben. Als Messgröße dient die
Ausgangsspannung der Photodiode, die mit einem Spannungsmessgerät ermittelt wird. Im
zugänglichen spektralen Absorptionsbereich liegen zwei Maxima bei 808.4 nm und bei
812.9 nm. Berechnen Sie aus dem Transmissionsspektrum ein relatives
Absorptionsspektrum (siehe Skriptum Kap. 1.2.2).
Hinweis für die Zuordnung: Die Wellenlänge nimmt mit der Temperatur zu.
2. Messen Sie die Fluoreszenzabklingzeit des Nd YAG Kristalls. Betreiben Sie dazu den
Pumplaser im Modulations-Modus (Schalter „Modulator“ in der Stellung „Intern“). Die
nicht absorbierte Pumpstrahlung soll durch ein geeignetes optisches Filter unterdrückt
werden entsprechend der Anordnung der Abb. 1.
Abb. 1: Versuchsaufbau zur Messung der Fluoreszenzlebensdauer
Die Transmissionskurven der verfügbaren Filter sind in Abb. 2 wiedergegeben.
Abb. 2: Transmission der Filter BG 39 und RG 1000
Das Referenzsignal aus dem Steuergerät wird auf den CH1-Kanal des Oszilloskops gelegt,
das verstärkte Signal aus der Photodiode auf den CH2-Kanal. Mittels des Cursors des
Oszilloskops messen Sie Wertepaare {U(t), t}, aus denen die Abklingzeit ermittelt werden
kann. Die Werte für die Zeit t sollen im Intervall [0 µs, 700 µs] liegen.
3. Bauen Sie entsprechend der Abb. 3 einen Nd YAG Laser auf. Der linke planparallele
Resonatorspiegel ist in den Nd YAG Kristall integriert. Welches Kriterium muss für den
Abstand der Spiegel beachtet werden? Bringen Sie mittels der Stellschrauben (nur wenig
drehen!) am Nd YAG Kristall und am sphärischen Auskoppelspiegel den Laser zum
Laufen, wobei der Pumplaser im Modulations-Mode betrieben wird, und das Anspringen
des Nd YAG Lasers auf dem Oszilloskop kontrolliert wird.
Abb. 3: Nd YAG Laser
4. Ermitteln Sie den Schwellenabstand der Spiegel. Der Nd YAG Kristall bleibt dabei
ortsfest.
5. Betreiben Sie die Laserdiode im Modulations-Modus. Wählen Sie die Pumpleistung des
Diodenlasers so gering, dass das „Spiking“ gut auf dem Oszilloskop sichtbar gemacht
werden kann.
Machen Sie eine Skizze des beobachteten Spikings.
Schätzen Sie die Abklingzeit der ersten drei Spiking-Peaks ab. Benutzen Sie dazu die
Ausführungen am Ende des Kap. 5.12 des Praktikumskriptums.
6. Der Auskoppelspiegel R 100-2 % wird durch den Auskoppelspiegel SHG 100 mit der
Reflektivität 99,98 % ersetzt. Messen Sie die Laserleistung in Abhängigkeit von der
Leistung des Pumplasers. Betreiben Sie dazu den Laser im Dauerstrich-Modus (Schalter
„Modulator“ in der Stellung „Off“) und messen Sie die Ausgangsspannung der Photodiode
mit einem Spannungsmessgerät. Bei welcher Pumpleistung liegt die Laserschwelle?
7. Betreiben Sie den Laser frequenzverdoppelt entsprechend der Abb. 4.
Abb. 4: Frequenzverdoppelter Nd YAG Laser
Welches optische Filter benutzt man zweckmäßig zur Unterdrückung der Pump- und
YAG-Strahlung?
Stellen Sie mittels der Stellschrauben (nur wenig drehen!) am Nd YAG Kristall, am
Auskoppelspiegel und am KTP Kristall den frequenzverdoppelten Laser auf maximale
Leistung.
8. Entfernen Sie die Photodiode und betreiben Sie den Laser im Dauerstrich-Modus.
Erzeugen Sie durch Drehen der diversen Stellschrauben Bilder von Transversalmoden auf
einem Schirm mit mm-Papier. Zeichnen Sie die Transversalmoden auf dem mm-Papier
nach und charakterisieren Sie die Transversalmoden mit der üblichen Nomenklatur.
Blenden Sie mittels der Modenblende im Resonator einen Teil der erzeugten
Transversalmoden aus.
9. Messen Sie die frequenzverdoppelte Laserleistung in Abhängigkeit von der Leistung
des Pumplasers: Stellen Sie die Photodiode wieder auf die optische Bank und setzen Sie
in den Reiter vor die Photodiode das vorhandene Zielkreuz . Erzeugen Sie ein Bild der
Mode TEM00 und blenden Sie gegebenenfalls sonstige Transversalmoden mit der
Modenblende aus. Justieren Sie den Strahl in die Mitte des Zielkreuzes.
10.Stellen Sie anhand der experimentellen Daten einen funktionalen Zusammenhang
zwischen der Leistung der Grundwelle des ND YAG Lasers und der Leistung der
frequenzverdoppelten Strahlung her.
Stichwörter
Messung von Lebensdauern, Ermittlung der Lebensdauer
Linienbreiten
Absorption, stimulierte Emission und spontane Emission
Kohärente und inkohärente Strahlung
Das Prinzip des Lasers (Aufbau, Lasermaterial, Energiepumpen, Resonatoren)
Longitudinalmoden, Transversalmoden
Besetzungsinversion, Strahlverstärkung
4-Zustandslaser, Nd YAG Laser
Spiking
Frequenzverdopplung
Halbleiterlaser ((Prinzip, p-n-Laserdioden)