Versuchsbeschreibung - Halles Schülerlabor für Physik - Martin ...
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V12: Superstrahler<br />
Ein selbstgebauter UV-LASER<br />
HaSP – <strong>Halles</strong> <strong>Schülerlabor</strong> <strong>für</strong> <strong>Physik</strong><br />
Institut <strong>für</strong> <strong>Physik</strong><br />
<strong>Martin</strong>-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Inhaltsverzeichnis 1<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 Aufgabe 1<br />
2 Grundlagen 2<br />
2.1 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2<br />
2.1.1 eoretische Grundlagen von Lasern 3<br />
2.1.2 Energiezustände . . . . . . . . . . 3<br />
2.1.3 Absorption und Emission von Licht 5<br />
2.2 Der Stickstofflaser . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . 7<br />
3 Aufbau 8<br />
3.1 Die Laserkammer . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
3.2 Der Blümleinkondensator . . . . . . . . . . 10<br />
3.3 Die Funkenstrecke . . . . . . . . . . . . . . 10<br />
4 Durchführung 10<br />
5 Auswertung 11<br />
Literaturverzeichnis 11<br />
1 Aufgabe<br />
In diesem Praktikumsversuch sollen Sie einen Superstrahler<br />
(im Grunde ein UV Stickstoff-Laser) bauen, der<br />
im Wesentlichen aus nichts weiter als Haushaltsalufolie,<br />
Baumarkt-Metall-plaen, ein paar Schrauben und Klarsichthülle<br />
besteht. Schließlich werden Sie einige seiner<br />
Eigenschaen untersuchen.<br />
Sicherheitshinweise:<br />
• Verwenden Sie unbedingt die vorhandenen Laserschutzbrillen!<br />
• Vor Inbetriebnahme Ihres Auau lassen Sie ihn in jedem<br />
Fall von Ihrem Betreuer abnehmen!<br />
• Achten Sie auf die Hochspannung! Auau stets erden!
2 2 G<br />
• Gehen Sie bie mit den verwendeten Mess-Sensoren<br />
sehr vorsichtig um - sie sind sehr empfindlich und teuer!<br />
2 Grundlagen<br />
Laser sind heute Gegenstände des Alltags, teils ist das<br />
Laserlicht direkt sichtbar - wie z.B. bei Barcodelesegeräten<br />
an Kassen, Laserpointern, Laserlichtshows in Diskotheken<br />
- teils sind die Laser so in die Geräte eingebaut,<br />
dass man sie gar nicht mehr wahrnimmt - wie z.B. in Laserdruckern,<br />
Lese- und Schreibgeräten von optischen<br />
Medien, wie z.B. CD, DVD und Blu-ray discs. Auch im<br />
<strong>Physik</strong>unterricht in der Oberstufe sind Laser nicht mehr<br />
wegzudenken, in den meisten Versuchen zum ema Interferenz<br />
werden Laser als kohärente Lichtquellen benötigt.<br />
Trotz alledem sind Laser eine Black Box, der Versuch<br />
Superstrahler“ soll nun einen Zugang zum Verständnis<br />
eines Lasers bieten. Es handelt sich dabei um einen<br />
”<br />
Stickstofflaser, das lasernde Medium ist also Stickstoff,<br />
der Auau kann bereits sehr einfach realisiert werden.<br />
2.1 Laser<br />
LASER ist eine Akronym und bedeutet Light Amplification<br />
by Stimulated Emission of Radiation. Laserlicht zeichnet<br />
sich gegenüber konventionellen Lichtquellen durch<br />
mehrere Eigenschaen aus. Dazu gehören eine geringe<br />
spektrale Linienbreite, die mit einer hohem Frequenzstabilität<br />
und Monochromasie (Einfarbigkeit des Lichtes)<br />
verknüp ist und mit einer guten zeitlichen Kohärenz zusammenhängt,<br />
sowie eine starke Bündelung des Lichtes,<br />
die als geringe Divergenz bezeichnet wird unfd mit einer<br />
hohen örtlichen Kohärenz verknüp ist. Eine weitere<br />
Eigenscha ist die hohe Strahlintensität; manche Laser<br />
eignen sich gut zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse.<br />
Die wichtigsten Laserkenndaten sind die Wellenlänge<br />
und die Frequenz des Lichtes sowie die Leistung und die<br />
Energie. Laser können sowohl kontinuierlich als auch gepulst<br />
betrieben werden; ein Stickstofflaser gehört zu denjenigen<br />
Lasertypen, die gepulst werden. Hier lassen sich
2.1 Laser 3<br />
also noch die Pulsdauer und die Wiederholfrequenz angeben.<br />
Bei einem gepulsten Laser lässt sich dessen Leistung<br />
über die Energie W und die Pulsdauer τ bzw. den zeitlichen<br />
Abstand T der Pulse berechnen. Für die Pulsspitzenleistung<br />
ergibt sich P max = W τ<br />
und ür die milere<br />
Leistung erhält man P = W T .<br />
2.1.1 Theoretische Grundlagen von Lasern<br />
Die Wirkungsweise von Lasern beruht auf quantenmechanischen<br />
Vorgängen im lasernden Medium. Die Moleküle<br />
oder Atome der jeweiligen Materials befinden<br />
sich in verschiedenen Energiezuständen; beim Übergang<br />
zwischen unterschiedlichen Zuständen kann elektromagnetische<br />
Strahlung absorbiert oder emiiert werden.<br />
Dabei gilt, dass die Energiedifferenz der am Über-gang<br />
beteiligten Niveaus der Energie der elektomagnetischen<br />
Strahlung entspricht. Nach E wird diese Energie<br />
durch Lichtquanten ode Photonen übertragen, deren Energie<br />
proportional zur Frequenz der elektromagnetischen<br />
Strahlung bzw. des Lichtes ist:<br />
Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz<br />
∆E = h · f (2.1)<br />
Die Proportionalitätskonstante h wird als P’sches<br />
Wirkungsquantum bezeichnet und besitzt den Betrag<br />
h = 6, 626 · 10 −34 Js. Je größer also die Energiedifferenz<br />
ist, umso höher muss die Frequenz der Strahlung sein<br />
und umso kleiner deren Wellenlänge, die durch die Beziehung<br />
λ · f = c gegeben ist, mit der Lichtgeschwindigkeit<br />
c = 2, 998 · 10 8 m s .<br />
2.1.2 Energiezustände<br />
Die vermutlich erste moderne Beschreibung eines Atoms<br />
lieferte 1913 Nils B, der annahm, dass sich Elektronen<br />
auf Kreisbahnen strahlungsfrei um den Atomkern<br />
bewegen. Dabei sind nur bestimmte Bahnradien<br />
erlaubt, wobei der Bahndrehimpuls L ein Vielfaches von<br />
ħ (ħ = h<br />
2π = 1, 055 · 10−34 Js) sein muss:
4 2 G<br />
Abbildung 1: Die Potentialkurve<br />
X gibt die Energie<br />
des Grundzustandes<br />
in Abhängigkeit vom<br />
Kernabstand an, wobei<br />
E B der Bindungsenergie<br />
entspricht. Angeregte<br />
Zustände werden<br />
mit A, B, C usw.<br />
bezeichnet. Die Schwingungsniveaus<br />
werden<br />
mit ν = 0, 1, 2, ... bezeichnet.<br />
L = n · ħ (2.2)<br />
Damit ergeben sich nach B diskrete Energiezustände,<br />
die durch das Vielfache von h bestimmt werden:<br />
2E n = −E i /n 2 , n = 1, 2, 3, .... E i stellt hierbei die<br />
Ionisierungsenergie dar, ür das Wasserstoffatom beträgt<br />
sie 13, 6eV .<br />
Eine modernere Beschreibung des Atoms liefert die antenmechanik;<br />
hier wird der Zustand eines Elektrons nicht<br />
wie in der klassischen <strong>Physik</strong> durch eine Bahn beschrieben,<br />
sondern durch eine Wellenfunktion Ψ , wobei |Ψ| 2<br />
eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit ür das Elektron angibt.<br />
Die Beschreibung von Molekülzuständen ist wesentlich<br />
komplizierter, da hier zu den elektronischen Anregungen<br />
noch zusätzlich Schwingungs- und Rotationsenergien<br />
auommen. Moleküle werden durch das Auftreten<br />
verschiedener Kräe gebildet, einerseits durch die<br />
anziehenden Bindungskräe der Elektronen, andererseits<br />
durch die abstoßende Coulomb-Kra. Die potentielle Energie<br />
eines zweiatomigen Moleküls in Abhängigkeit vom<br />
Abstand der Kerne lässt sich wie in Abbildung (1) darstellen.<br />
r 0 ist hier der Gleichgewichtsabstand der Atome, die<br />
Bindungsenergie E B gibt die Energie an, die notwendig<br />
ist, um die Atome zu trennen.<br />
Elektronen können hier genauso wie bei Atomen in höhere<br />
Bahnen angeregt werden, wodurch sich auch die
2.1 Laser 5<br />
Abbildung 2: Absorption<br />
und Emission von Licht.<br />
Bindungsenergie und der Kernabstand ändern. Als Symbole<br />
verwendet man ür den Grundzustand X und ür<br />
die angeregten Zustände A, B, C,… Aufgrund von Kernbewegungen<br />
treten zwei weitere Energieanteile auf:<br />
Zum einen können die Atome in den Molekülen um ihre<br />
Gleichgewichtslage schwingen, zum anderen kann<br />
sich das Molekül um seine Hauprägheitsachsen drehen.<br />
Zu jedem elektronischen Niveau gehören somit mehrere<br />
Vibrationsniveaus, die Schwingungsenergie ist ebenso<br />
wie die Elektronenenergie gequantelt und lässt sich<br />
mit der antenzahl ν = 0, 1, 2, ... wie folgt darstellen:<br />
E v = (ν + 1 2<br />
)hf, f bezeichnet hier die Frequenz der<br />
Schwingung eines zweiatomigen Moleküls.<br />
2.1.3 Absorption und Emission von Licht<br />
Wie am Anfang des Kapitels bereits erwähnt wurde, kann<br />
elektromagnetische Strahlung von Materie absorbiert und<br />
emiiert werden. In Abbildung (2) wird der Vorgang der<br />
Absorption und der Emission kurz dargestellt.<br />
• Absorption: Ein Photon hebt ein Elektron in ein höheres<br />
Energieniveau, das Photon verschwindet dabei.<br />
• Spontane Emission: Ein Elektron, das sich zunächst<br />
in einem angeregten Energieniveau befindet, geht in<br />
einen niedrigeren Energiezustand und sendet dabei<br />
spontan ein Photon aus.<br />
• Induzierte Emission: Tri ein Photon auf ein angeregtes<br />
Elektron, so geht dieses in einen niedrigeren Ener-
6 2 G<br />
Abbildung 3: Vereinfachtes<br />
und genaueres Energieschema<br />
des Stickstofflasers.<br />
Die Hauptlinie<br />
entsteht durch<br />
Übergänge zwischen<br />
den untersten Schwingungsniveaus<br />
der C-<br />
und B- Zustände.<br />
giezustand über und induziert die Aussendung eines<br />
weiteren Photons.<br />
Beim Durchgang von Licht durch ein Material absorbiert<br />
dieses das Licht. Die nach der Materialschicht vorhandene<br />
Leistungsdichte I kann durch das L-Bsche<br />
Gesetz in Abhängigkeit von der eingestrahlten Intensität<br />
I 0 und der Schichtdicke d angegeben werden:<br />
I = I 0 · e −α·d (2.3)<br />
Der Proportionalitätsfaktor α ist hierbei der Absorptionskoeffizient.<br />
2.2 Der Stickstofaser<br />
Die Hauptlinie des Stickstofflasers liegt bei einer Wellenlänge<br />
von λ = 337, 1nm und entsteht durch den<br />
Übergang vom oberen Laserniveau C 3 Π u zum unteren<br />
Laserniveau B 3 Π g , wie in Abbildung (3) zu erkennen ist.<br />
Der Stickstofflaser wird gepulst betrieben, die Pulsdauer<br />
hängt von der Lebensdauer des oberen Laserniveaus<br />
ab und beträgt zwischen 0, 3ns bei Atmosphärendruck<br />
und 20ns bei wenigen 10P a. Das untere Laserniveau,<br />
das eine Lebensdauer von 10µs (bis hin zu 10ms bei zusätzlicher<br />
Energieübertragung durch Stöße aus höheren<br />
Niveaus) hat, zerällt spontan in einen metastabilen A-<br />
Zustand, welcher eine Lebensdauer bis zu einigen Sekun-
2.2 Der Stickstofflaser 7<br />
den besitzen kann, wodurch die Entleerung des unteren<br />
Laserniveaus behindert werden kann und somit der Laservorgang<br />
von alleine abbricht. Solche Laser bezeichnet<br />
man als ”<br />
self-terminating“.<br />
Bei kommerziellen Stickstofflasern erhält man somit eine<br />
Wiederholfrequenz der Pulse bis zu 100Hz, höhere Frequenzen<br />
würden einen schnellen Gasaustausch erfordern.<br />
Hier werden Energien bis zu 10mJ erreicht, so dass eine<br />
milere Leistung bis zu 1W erreicht werden kann. Die<br />
mögliche Verstärkung des Lichtes liegt bei G ≥ 10 10 bei<br />
einer Entladungsstrecke von 1m, so dass eine deutliche<br />
Emission auch ohne optische Resonatoren erreicht wird.<br />
Dieser Typ Laser wird als Superstrahler bezeichnet. Der<br />
Einsatz von einem Spiegel und einem halbdurchlässigen<br />
Spiegel kann die Leistung auf das Fünffache steigern.<br />
2.2.1 Funktionsweise<br />
Die Funktionsweise lässt sich in wenigen Sätzen erläutern.<br />
Durch eine elektrische Entladung zwischen den<br />
zwei Elektroden werden Stickstoffmoleküle angeregt.<br />
Gehen einige der Moleküle in den Grundzustand über,<br />
wird jeweils ein Photon ausgesandt, diese treffen auf andere<br />
- noch angeregte - Stickstoffmoleküle, welche darauin<br />
auch in den Grundzustand übergehen, dabei wird<br />
jeweils ein weiteres Photon ausgesandt. Es kommt so zu<br />
einer lawinenartigen Vermehrung der Photonen, diese<br />
besitzen - aufgrund ihrer Entstehungsgeschichte - alle<br />
die gleichen Eigenschaen, das entstehende Licht ist also<br />
monochromatisch und kohärent. Nach dieser prinzipiellen<br />
Erklärung soll die Funktionsweise nochmals aus-<br />
ührlich beleuchtet werden: Zunächst werden die beiden<br />
Kondensatoren geladen, d.h. die beiden Elektroden - welche<br />
ja jeweils einen Teil der oberen Kondensatorplaen<br />
darstellen - sind auf dem gleichen Potential, durch eine<br />
Entladung an der Funkenstrecke wird jedoch die linke<br />
Elektrode schlagartig entladen. Es besteht nun also eine<br />
große Potentialdifferenz zwischen den Elektroden, auch<br />
hier kommt es zu einer elektrischen Entladung zwischen<br />
den beiden Elektroden, beginnend an der Stelle, an denen<br />
sie sich am nächsten sind. Die zwischen den Elektroden<br />
überspringenden Elektronen stoßen mit den Stickstoff-
8 3 A<br />
molekülen zusammen, dadurch werden diese energetisch<br />
angeregt. Die angeregten Stickstoffmoleküle können auf<br />
zwei Arten die aufgenommene Energie wieder abgeben,<br />
einerseits durch Stöße mit anderen Molekülen, andererseits<br />
durch Abgabe elektromagnetischer Strahlung, oder<br />
anders ausgedrückt: Sie senden Photonen aus. Tri ein<br />
solches Photon auf ein noch angeregtes Stickstoffmolekül<br />
so findet eine stimulierte Emission sta, d.h. das Photon<br />
stimuliert das Molekül, ein weiteres Photon auszusenden.<br />
Befinden sich sehr viele Atome in einem angeregten<br />
Zustand, so wächst die Zahl der Photonen durch diese<br />
Verstärkung lawinenartig an. Das Licht wird vor allem<br />
parallel zu den Elektroden ausgesandt, da ein Photon,<br />
das sich parallel zu den Elektroden bewegt eine deutlich<br />
höhere Wahrscheinlichkeit hat, auf ein angeregtes<br />
Stickstoffmolekül zu treffen, weil ja hier die Entladung<br />
stafinwdet. Liegen die Elektroden nicht exakt parallel<br />
zueinander, so beginnt die Gasentladung und damit die<br />
Lasertätigkeit theoretisch dort, wo die Elektroden enger<br />
zusammen liegen und wandert dann die Elektroden<br />
entlang. In der Praxis kann man aber auch einfach einen<br />
Spiegel auf einer Seite aufstellen, so dass das Laserlicht<br />
wieder zurück in die gewünschte Richtung reflektiert<br />
wird. Während bei einem Laser im eigentlichen Wortsinn<br />
die Photonen nach der Reflexion am Spiegel nochmals<br />
durch induzierte Emission verstärkt werden, ist dies bei<br />
Stickstofflasern“ nicht der Fall, daher spricht man bei<br />
”<br />
unserem Auau fachlich korrekt von einem Superstrahler.icht<br />
man bei unserem Auau fachlich korrekt von<br />
einem Superstrahler.<br />
3 Aufbau<br />
Man unterscheidet zwei verschiedene Sorten von Stickstofflasern,<br />
einerseits die, die bei Atmosphärendruck arbeiten<br />
und andererseits solche, die bei einem geringen<br />
Druck ab 3kP a arbeiten. Die Klasse der bei Atmosphärendruck<br />
arbeitenden Laser werden als TEA-Laser bezeichnet,<br />
was ür ”<br />
Transverse Electric-discharge at Atmospheric<br />
pressure“ steht. Als laserndes Medium beim<br />
Stickstofflaser eignet sich auch Lu, da diese zu 78% aus
3.1 Die Laserkammer 9<br />
Abbildung 4: Schematischer<br />
Auau des Superstrahlers.<br />
Stickstoff besteht. Dieser TEA - Stickstofflaser eignet sich<br />
sehr gut um das Prinzip des Stickstofflasers zu testen.<br />
Daher wird in diesem Versuch dieses Modell vorgestellt,<br />
das durch den einfachen Auau und die leicht erhältlichen<br />
Materialien auch ür Schulprojekte geeignet ist.<br />
Der Stickstofflaser besteht prinzipiell aus drei Teilen: dem<br />
Blumleinkondensator, der Funkenstrecke mit Hochspannungsquelle<br />
und einer Laserkammer. Beim TEA - Stickstofflaser,<br />
der mit Lu bei Atmosphärendruck betrieben<br />
werden soll, ist es nicht nötig eine abgeschlossene Laserkammer<br />
zu bauen.<br />
3.1 Die Laserkammer<br />
Da die Laserkammer nicht abgeschlossen sein muss, genügt<br />
es, Aluminiumplaen als Elektroden zu verwenden;<br />
eine komplizierte Kammer ist nicht notwendig. Die Platten<br />
sind 20 cm lang, 6 cm breit und 5 mm dick. Bei der<br />
Herstellung der Elektroden ist zu beachten, dass die Seiten,<br />
die zum Laserspalt hinzeigen, abgefeilt werden, die<br />
Vorderkanten jedoch gla sind. Legt man beide Elektroden<br />
aneinander, darf zwischen diesen kein Spalt mehr<br />
zu sehen sein, da sonst die Oberflächen unregelmäßig<br />
sind, kein gleichmäßiges elektrisches Feld zwischen den<br />
Elektroden entstehen kann und es so zu Spannungserhöhungen<br />
an einzelnen Punkten zwischen den Elektroden<br />
kommen kann, an denen dann eine Entladung stafindet.<br />
Das Wichtigste ür den Laservorgang ist jedoch, dass<br />
die Entladung über dem gesamten Volumen stafindet<br />
und so möglichst viele Stickstoffmoleküle gleichzeitig angeregt<br />
werden, die dann durch stimulierte Emission den<br />
Laserstrahl erzeugen.
10 4 D<br />
3.2 Der Blümleinkondensator<br />
Der B-Kondensator wird aus handelsüblicher<br />
Alufolie hergestellt, als Dielektrikum wird eine Klarsichthülle<br />
mit DIN A4 Format der Dicke 0,15 mm verwendet.<br />
Eine große Alufolie der Größe 19,5 cm x 30 cm dient als<br />
untere Plae der Kondensatoren, die oberen Plaen haben<br />
eine Größe von 12 cm x 18,5 cm bzw. von 10 cm x<br />
18,5 cm. Sie liegen in einem Abstand von ca. 3 cm auf<br />
der Kopierfolie. Auf den oberen Plaen befinden sich die<br />
Elektroden, die einen Abstand zwischen 1 mm und 3 mm<br />
haben. Die oberen Kondensatorplaen werden durch einen<br />
Kohleschicht-Widerstand mit 1MΩ verbunden.<br />
3.3 Die Funkenstrecke<br />
Die Funkenstrecke wird durch zwei Hutmuern realisiert,<br />
die in Aluminiumwinkel geschraubt sind. An diese<br />
Schrauben wird eine Hochspannung angelegt, woür ein<br />
Hochspannungsnetzgerät mit 10kV verwendet wird. Die<br />
Spannung, die an den Laserelektroden anliegt, wird über<br />
den Abstand der Hutmuern bestimmt, die Abhängigkeit<br />
der Spannung beim Durchschlag vom Abstand wird<br />
durch das Pgesetz angegeben.<br />
4 Durchführung<br />
Bauen Sie den TEA-Superstrahler wie in Abb. 4 auf und<br />
bringen Sie ihn zum Laufen! Achtung: Zeigen Sie den<br />
Auau erst einem Betreuer bevor Sie ihn einschalten!<br />
Machen Sie den Strahl mit dem Floureszenz-Schirm,<br />
weißem Papier oder stark verdünntem Bier Lemon oder<br />
Tonic Water (Chinin) sichtbar.<br />
Messen Sie die Pulsrate Ihres Lasers - geben Sie sie in<br />
Hertz an.<br />
Messen Sie mit dem Photodiodendetektor und einem Oszilloskop<br />
die Pulsdauer des Lasers.
11<br />
5 Auswertung<br />
Tragen Sie die Kenndaten des von Ihnen gebauten Lasers<br />
zusammen. Die Pulsdauer wird angegeben als Halbwertsbreite<br />
des Pulses FWHM = full width at half maximum.<br />
Literatur