Versuchsbeschreibung - Halles Schülerlabor für Physik - Martin ...

V12: Superstrahler
Ein selbstgebauter UV-LASER
HaSP – Halles Schülerlabor für Physik
Institut für Physik
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Inhaltsverzeichnis 1
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabe 1
2 Grundlagen 2
2.1 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.1 eoretische Grundlagen von Lasern 3
2.1.2 Energiezustände . . . . . . . . . . 3
2.1.3 Absorption und Emission von Licht 5
2.2 Der Stickstofflaser . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . 7
3 Aufbau 8
3.1 Die Laserkammer . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Der Blümleinkondensator . . . . . . . . . . 10
3.3 Die Funkenstrecke . . . . . . . . . . . . . . 10
4 Durchführung 10
5 Auswertung 11
Literaturverzeichnis 11
1 Aufgabe
In diesem Praktikumsversuch sollen Sie einen Superstrahler
(im Grunde ein UV Stickstoff-Laser) bauen, der
im Wesentlichen aus nichts weiter als Haushaltsalufolie,
Baumarkt-Metall-plaen, ein paar Schrauben und Klarsichthülle
besteht. Schließlich werden Sie einige seiner
Eigenschaen untersuchen.
Sicherheitshinweise:
• Verwenden Sie unbedingt die vorhandenen Laserschutzbrillen!
• Vor Inbetriebnahme Ihres Auau lassen Sie ihn in jedem
Fall von Ihrem Betreuer abnehmen!
• Achten Sie auf die Hochspannung! Auau stets erden!

2 2 G
• Gehen Sie bie mit den verwendeten Mess-Sensoren
sehr vorsichtig um - sie sind sehr empfindlich und teuer!
2 Grundlagen
Laser sind heute Gegenstände des Alltags, teils ist das
Laserlicht direkt sichtbar - wie z.B. bei Barcodelesegeräten
an Kassen, Laserpointern, Laserlichtshows in Diskotheken
- teils sind die Laser so in die Geräte eingebaut,
dass man sie gar nicht mehr wahrnimmt - wie z.B. in Laserdruckern,
Lese- und Schreibgeräten von optischen
Medien, wie z.B. CD, DVD und Blu-ray discs. Auch im
Physikunterricht in der Oberstufe sind Laser nicht mehr
wegzudenken, in den meisten Versuchen zum ema Interferenz
werden Laser als kohärente Lichtquellen benötigt.
Trotz alledem sind Laser eine Black Box, der Versuch
Superstrahler“ soll nun einen Zugang zum Verständnis
eines Lasers bieten. Es handelt sich dabei um einen
”
Stickstofflaser, das lasernde Medium ist also Stickstoff,
der Auau kann bereits sehr einfach realisiert werden.
2.1 Laser
LASER ist eine Akronym und bedeutet Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation. Laserlicht zeichnet
sich gegenüber konventionellen Lichtquellen durch
mehrere Eigenschaen aus. Dazu gehören eine geringe
spektrale Linienbreite, die mit einer hohem Frequenzstabilität
und Monochromasie (Einfarbigkeit des Lichtes)
verknüp ist und mit einer guten zeitlichen Kohärenz zusammenhängt,
sowie eine starke Bündelung des Lichtes,
die als geringe Divergenz bezeichnet wird unfd mit einer
hohen örtlichen Kohärenz verknüp ist. Eine weitere
Eigenscha ist die hohe Strahlintensität; manche Laser
eignen sich gut zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse.
Die wichtigsten Laserkenndaten sind die Wellenlänge
und die Frequenz des Lichtes sowie die Leistung und die
Energie. Laser können sowohl kontinuierlich als auch gepulst
betrieben werden; ein Stickstofflaser gehört zu denjenigen
Lasertypen, die gepulst werden. Hier lassen sich

2.1 Laser 3
also noch die Pulsdauer und die Wiederholfrequenz angeben.
Bei einem gepulsten Laser lässt sich dessen Leistung
über die Energie W und die Pulsdauer τ bzw. den zeitlichen
Abstand T der Pulse berechnen. Für die Pulsspitzenleistung
ergibt sich P max = W τ
und ür die milere
Leistung erhält man P = W T .
2.1.1 Theoretische Grundlagen von Lasern
Die Wirkungsweise von Lasern beruht auf quantenmechanischen
Vorgängen im lasernden Medium. Die Moleküle
oder Atome der jeweiligen Materials befinden
sich in verschiedenen Energiezuständen; beim Übergang
zwischen unterschiedlichen Zuständen kann elektromagnetische
Strahlung absorbiert oder emiiert werden.
Dabei gilt, dass die Energiedifferenz der am Über-gang
beteiligten Niveaus der Energie der elektomagnetischen
Strahlung entspricht. Nach E wird diese Energie
durch Lichtquanten ode Photonen übertragen, deren Energie
proportional zur Frequenz der elektromagnetischen
Strahlung bzw. des Lichtes ist:
Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz
∆E = h · f (2.1)
Die Proportionalitätskonstante h wird als P’sches
Wirkungsquantum bezeichnet und besitzt den Betrag
h = 6, 626 · 10 −34 Js. Je größer also die Energiedifferenz
ist, umso höher muss die Frequenz der Strahlung sein
und umso kleiner deren Wellenlänge, die durch die Beziehung
λ · f = c gegeben ist, mit der Lichtgeschwindigkeit
c = 2, 998 · 10 8 m s .
2.1.2 Energiezustände
Die vermutlich erste moderne Beschreibung eines Atoms
lieferte 1913 Nils B, der annahm, dass sich Elektronen
auf Kreisbahnen strahlungsfrei um den Atomkern
bewegen. Dabei sind nur bestimmte Bahnradien
erlaubt, wobei der Bahndrehimpuls L ein Vielfaches von
ħ (ħ = h
2π = 1, 055 · 10−34 Js) sein muss:

4 2 G
Abbildung 1: Die Potentialkurve
X gibt die Energie
des Grundzustandes
in Abhängigkeit vom
Kernabstand an, wobei
E B der Bindungsenergie
entspricht. Angeregte
Zustände werden
mit A, B, C usw.
bezeichnet. Die Schwingungsniveaus
werden
mit ν = 0, 1, 2, ... bezeichnet.
L = n · ħ (2.2)
Damit ergeben sich nach B diskrete Energiezustände,
die durch das Vielfache von h bestimmt werden:
2E n = −E i /n 2 , n = 1, 2, 3, .... E i stellt hierbei die
Ionisierungsenergie dar, ür das Wasserstoffatom beträgt
sie 13, 6eV .
Eine modernere Beschreibung des Atoms liefert die antenmechanik;
hier wird der Zustand eines Elektrons nicht
wie in der klassischen Physik durch eine Bahn beschrieben,
sondern durch eine Wellenfunktion Ψ , wobei |Ψ| 2
eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit ür das Elektron angibt.
Die Beschreibung von Molekülzuständen ist wesentlich
komplizierter, da hier zu den elektronischen Anregungen
noch zusätzlich Schwingungs- und Rotationsenergien
auommen. Moleküle werden durch das Auftreten
verschiedener Kräe gebildet, einerseits durch die
anziehenden Bindungskräe der Elektronen, andererseits
durch die abstoßende Coulomb-Kra. Die potentielle Energie
eines zweiatomigen Moleküls in Abhängigkeit vom
Abstand der Kerne lässt sich wie in Abbildung (1) darstellen.
r 0 ist hier der Gleichgewichtsabstand der Atome, die
Bindungsenergie E B gibt die Energie an, die notwendig
ist, um die Atome zu trennen.
Elektronen können hier genauso wie bei Atomen in höhere
Bahnen angeregt werden, wodurch sich auch die

2.1 Laser 5
Abbildung 2: Absorption
und Emission von Licht.
Bindungsenergie und der Kernabstand ändern. Als Symbole
verwendet man ür den Grundzustand X und ür
die angeregten Zustände A, B, C,… Aufgrund von Kernbewegungen
treten zwei weitere Energieanteile auf:
Zum einen können die Atome in den Molekülen um ihre
Gleichgewichtslage schwingen, zum anderen kann
sich das Molekül um seine Hauprägheitsachsen drehen.
Zu jedem elektronischen Niveau gehören somit mehrere
Vibrationsniveaus, die Schwingungsenergie ist ebenso
wie die Elektronenenergie gequantelt und lässt sich
mit der antenzahl ν = 0, 1, 2, ... wie folgt darstellen:
E v = (ν + 1 2
)hf, f bezeichnet hier die Frequenz der
Schwingung eines zweiatomigen Moleküls.
2.1.3 Absorption und Emission von Licht
Wie am Anfang des Kapitels bereits erwähnt wurde, kann
elektromagnetische Strahlung von Materie absorbiert und
emiiert werden. In Abbildung (2) wird der Vorgang der
Absorption und der Emission kurz dargestellt.
• Absorption: Ein Photon hebt ein Elektron in ein höheres
Energieniveau, das Photon verschwindet dabei.
• Spontane Emission: Ein Elektron, das sich zunächst
in einem angeregten Energieniveau befindet, geht in
einen niedrigeren Energiezustand und sendet dabei
spontan ein Photon aus.
• Induzierte Emission: Tri ein Photon auf ein angeregtes
Elektron, so geht dieses in einen niedrigeren Ener-

6 2 G
Abbildung 3: Vereinfachtes
und genaueres Energieschema
des Stickstofflasers.
Die Hauptlinie
entsteht durch
Übergänge zwischen
den untersten Schwingungsniveaus
der C-
und B- Zustände.
giezustand über und induziert die Aussendung eines
weiteren Photons.
Beim Durchgang von Licht durch ein Material absorbiert
dieses das Licht. Die nach der Materialschicht vorhandene
Leistungsdichte I kann durch das L-Bsche
Gesetz in Abhängigkeit von der eingestrahlten Intensität
I 0 und der Schichtdicke d angegeben werden:
I = I 0 · e −α·d (2.3)
Der Proportionalitätsfaktor α ist hierbei der Absorptionskoeffizient.
2.2 Der Stickstofaser
Die Hauptlinie des Stickstofflasers liegt bei einer Wellenlänge
von λ = 337, 1nm und entsteht durch den
Übergang vom oberen Laserniveau C 3 Π u zum unteren
Laserniveau B 3 Π g , wie in Abbildung (3) zu erkennen ist.
Der Stickstofflaser wird gepulst betrieben, die Pulsdauer
hängt von der Lebensdauer des oberen Laserniveaus
ab und beträgt zwischen 0, 3ns bei Atmosphärendruck
und 20ns bei wenigen 10P a. Das untere Laserniveau,
das eine Lebensdauer von 10µs (bis hin zu 10ms bei zusätzlicher
Energieübertragung durch Stöße aus höheren
Niveaus) hat, zerällt spontan in einen metastabilen A-
Zustand, welcher eine Lebensdauer bis zu einigen Sekun-

2.2 Der Stickstofflaser 7
den besitzen kann, wodurch die Entleerung des unteren
Laserniveaus behindert werden kann und somit der Laservorgang
von alleine abbricht. Solche Laser bezeichnet
man als ”
self-terminating“.
Bei kommerziellen Stickstofflasern erhält man somit eine
Wiederholfrequenz der Pulse bis zu 100Hz, höhere Frequenzen
würden einen schnellen Gasaustausch erfordern.
Hier werden Energien bis zu 10mJ erreicht, so dass eine
milere Leistung bis zu 1W erreicht werden kann. Die
mögliche Verstärkung des Lichtes liegt bei G ≥ 10 10 bei
einer Entladungsstrecke von 1m, so dass eine deutliche
Emission auch ohne optische Resonatoren erreicht wird.
Dieser Typ Laser wird als Superstrahler bezeichnet. Der
Einsatz von einem Spiegel und einem halbdurchlässigen
Spiegel kann die Leistung auf das Fünffache steigern.
2.2.1 Funktionsweise
Die Funktionsweise lässt sich in wenigen Sätzen erläutern.
Durch eine elektrische Entladung zwischen den
zwei Elektroden werden Stickstoffmoleküle angeregt.
Gehen einige der Moleküle in den Grundzustand über,
wird jeweils ein Photon ausgesandt, diese treffen auf andere
- noch angeregte - Stickstoffmoleküle, welche darauin
auch in den Grundzustand übergehen, dabei wird
jeweils ein weiteres Photon ausgesandt. Es kommt so zu
einer lawinenartigen Vermehrung der Photonen, diese
besitzen - aufgrund ihrer Entstehungsgeschichte - alle
die gleichen Eigenschaen, das entstehende Licht ist also
monochromatisch und kohärent. Nach dieser prinzipiellen
Erklärung soll die Funktionsweise nochmals aus-
ührlich beleuchtet werden: Zunächst werden die beiden
Kondensatoren geladen, d.h. die beiden Elektroden - welche
ja jeweils einen Teil der oberen Kondensatorplaen
darstellen - sind auf dem gleichen Potential, durch eine
Entladung an der Funkenstrecke wird jedoch die linke
Elektrode schlagartig entladen. Es besteht nun also eine
große Potentialdifferenz zwischen den Elektroden, auch
hier kommt es zu einer elektrischen Entladung zwischen
den beiden Elektroden, beginnend an der Stelle, an denen
sie sich am nächsten sind. Die zwischen den Elektroden
überspringenden Elektronen stoßen mit den Stickstoff-

8 3 A
molekülen zusammen, dadurch werden diese energetisch
angeregt. Die angeregten Stickstoffmoleküle können auf
zwei Arten die aufgenommene Energie wieder abgeben,
einerseits durch Stöße mit anderen Molekülen, andererseits
durch Abgabe elektromagnetischer Strahlung, oder
anders ausgedrückt: Sie senden Photonen aus. Tri ein
solches Photon auf ein noch angeregtes Stickstoffmolekül
so findet eine stimulierte Emission sta, d.h. das Photon
stimuliert das Molekül, ein weiteres Photon auszusenden.
Befinden sich sehr viele Atome in einem angeregten
Zustand, so wächst die Zahl der Photonen durch diese
Verstärkung lawinenartig an. Das Licht wird vor allem
parallel zu den Elektroden ausgesandt, da ein Photon,
das sich parallel zu den Elektroden bewegt eine deutlich
höhere Wahrscheinlichkeit hat, auf ein angeregtes
Stickstoffmolekül zu treffen, weil ja hier die Entladung
stafinwdet. Liegen die Elektroden nicht exakt parallel
zueinander, so beginnt die Gasentladung und damit die
Lasertätigkeit theoretisch dort, wo die Elektroden enger
zusammen liegen und wandert dann die Elektroden
entlang. In der Praxis kann man aber auch einfach einen
Spiegel auf einer Seite aufstellen, so dass das Laserlicht
wieder zurück in die gewünschte Richtung reflektiert
wird. Während bei einem Laser im eigentlichen Wortsinn
die Photonen nach der Reflexion am Spiegel nochmals
durch induzierte Emission verstärkt werden, ist dies bei
Stickstofflasern“ nicht der Fall, daher spricht man bei
”
unserem Auau fachlich korrekt von einem Superstrahler.icht
man bei unserem Auau fachlich korrekt von
einem Superstrahler.
3 Aufbau
Man unterscheidet zwei verschiedene Sorten von Stickstofflasern,
einerseits die, die bei Atmosphärendruck arbeiten
und andererseits solche, die bei einem geringen
Druck ab 3kP a arbeiten. Die Klasse der bei Atmosphärendruck
arbeitenden Laser werden als TEA-Laser bezeichnet,
was ür ”
Transverse Electric-discharge at Atmospheric
pressure“ steht. Als laserndes Medium beim
Stickstofflaser eignet sich auch Lu, da diese zu 78% aus

3.1 Die Laserkammer 9
Abbildung 4: Schematischer
Auau des Superstrahlers.
Stickstoff besteht. Dieser TEA - Stickstofflaser eignet sich
sehr gut um das Prinzip des Stickstofflasers zu testen.
Daher wird in diesem Versuch dieses Modell vorgestellt,
das durch den einfachen Auau und die leicht erhältlichen
Materialien auch ür Schulprojekte geeignet ist.
Der Stickstofflaser besteht prinzipiell aus drei Teilen: dem
Blumleinkondensator, der Funkenstrecke mit Hochspannungsquelle
und einer Laserkammer. Beim TEA - Stickstofflaser,
der mit Lu bei Atmosphärendruck betrieben
werden soll, ist es nicht nötig eine abgeschlossene Laserkammer
zu bauen.
3.1 Die Laserkammer
Da die Laserkammer nicht abgeschlossen sein muss, genügt
es, Aluminiumplaen als Elektroden zu verwenden;
eine komplizierte Kammer ist nicht notwendig. Die Platten
sind 20 cm lang, 6 cm breit und 5 mm dick. Bei der
Herstellung der Elektroden ist zu beachten, dass die Seiten,
die zum Laserspalt hinzeigen, abgefeilt werden, die
Vorderkanten jedoch gla sind. Legt man beide Elektroden
aneinander, darf zwischen diesen kein Spalt mehr
zu sehen sein, da sonst die Oberflächen unregelmäßig
sind, kein gleichmäßiges elektrisches Feld zwischen den
Elektroden entstehen kann und es so zu Spannungserhöhungen
an einzelnen Punkten zwischen den Elektroden
kommen kann, an denen dann eine Entladung stafindet.
Das Wichtigste ür den Laservorgang ist jedoch, dass
die Entladung über dem gesamten Volumen stafindet
und so möglichst viele Stickstoffmoleküle gleichzeitig angeregt
werden, die dann durch stimulierte Emission den
Laserstrahl erzeugen.

10 4 D
3.2 Der Blümleinkondensator
Der B-Kondensator wird aus handelsüblicher
Alufolie hergestellt, als Dielektrikum wird eine Klarsichthülle
mit DIN A4 Format der Dicke 0,15 mm verwendet.
Eine große Alufolie der Größe 19,5 cm x 30 cm dient als
untere Plae der Kondensatoren, die oberen Plaen haben
eine Größe von 12 cm x 18,5 cm bzw. von 10 cm x
18,5 cm. Sie liegen in einem Abstand von ca. 3 cm auf
der Kopierfolie. Auf den oberen Plaen befinden sich die
Elektroden, die einen Abstand zwischen 1 mm und 3 mm
haben. Die oberen Kondensatorplaen werden durch einen
Kohleschicht-Widerstand mit 1MΩ verbunden.
3.3 Die Funkenstrecke
Die Funkenstrecke wird durch zwei Hutmuern realisiert,
die in Aluminiumwinkel geschraubt sind. An diese
Schrauben wird eine Hochspannung angelegt, woür ein
Hochspannungsnetzgerät mit 10kV verwendet wird. Die
Spannung, die an den Laserelektroden anliegt, wird über
den Abstand der Hutmuern bestimmt, die Abhängigkeit
der Spannung beim Durchschlag vom Abstand wird
durch das Pgesetz angegeben.
4 Durchführung
Bauen Sie den TEA-Superstrahler wie in Abb. 4 auf und
bringen Sie ihn zum Laufen! Achtung: Zeigen Sie den
Auau erst einem Betreuer bevor Sie ihn einschalten!
Machen Sie den Strahl mit dem Floureszenz-Schirm,
weißem Papier oder stark verdünntem Bier Lemon oder
Tonic Water (Chinin) sichtbar.
Messen Sie die Pulsrate Ihres Lasers - geben Sie sie in
Hertz an.
Messen Sie mit dem Photodiodendetektor und einem Oszilloskop
die Pulsdauer des Lasers.

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5 Auswertung
Tragen Sie die Kenndaten des von Ihnen gebauten Lasers
zusammen. Die Pulsdauer wird angegeben als Halbwertsbreite
des Pulses FWHM = full width at half maximum.
Literatur