Diodengepumpter Nd:YAG Laser

IAP – Praktikum für Fortgeschrittene
Versuchsanleitung
Diodengepumpter Nd:YAG Laser
Zusammenfassung
Im ersten Teil des Versuches soll der Laser aufgebaut und justiert werden. Dabei soll der Umgang mit
modernen Laserkomponenten geübt sowie die grundlegenden Stabilitätsbedingungen eines Lasers
verstanden werden. Im zweiten Teil des Versuches sollen mehrere Experimente am Laser
durchgeführt werden. So sollen die Effizienz, die Laserschwelle, die Divergenz und die thermische
Linse im Kristall bestimmt werden.
Abbildung 1: Laseraufbau

Inhaltsverzeichnis
1. Versuchsübersicht ........................................................................................................... 3
2. Sicherheitsvorschriften................................................................................................... 4
2.1 Schutzbrillen ................................................................................................................ 4
2.2 Arbeiten mit einem Laser ......................................................................................... 4
2.3 Bedienung des Diodenpumplasers ....................................................................... 4
3. Theorie................................................................................................................................. 6
3.1 Stabilität eines Laserresonators............................................................................. 6
3.2 Strahlendivergenz....................................................................................................... 7
3.3 Thermische Linse ....................................................................................................... 7
3.4 Theoretische Aufgaben............................................................................................. 8
4. Der Laser: Bauteile und Aufbau.................................................................................... 9
4.1 Theoretischer Aufbau................................................................................................ 9
4.2 Bauteile........................................................................................................................ 10
4.3 Praktischer Aufbau und Justierung..................................................................... 10
4.4 Inbetriebnahme ......................................................................................................... 13
4.5 Leistungsoptimierung ............................................................................................. 14
5. Versuche ........................................................................................................................... 15
5.1 Messung der Effizienz, Bestimmung der Laserschwelle............................... 15
5.2 Messung der Divergenz .......................................................................................... 15
5.3 Messung der thermischen Linse .......................................................................... 15
6. Anhang............................................................................................................................... 16
6.1. Quellenangaben und Literaturvorschläge ........................................................ 16
6.2 Transmissionskurve RG 850 Filter von Newport ............................................. 16
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1. Versuchsübersicht
Dieser Versuch soll den Umgang mit einem modernen Laser vermitteln.
Folgende Arbeitsabfolge ist empfehlenswert:
1. Machen Sie sich zuerst mit dem theoretischen Hintergrund vertraut. Suchen Sie sich
zusätzlich zum hier enthaltenen Theorieteil Literatur zu Nd:YAG Lasern. Studieren Sie auch
kurz die Funktionsweise Ihres Diodenpumplasers und machen Sie sich vertraut mit der
Propagation eines Gaussstrahles. Befassen Sie sich ausserdem mit dem Begriff der
Divergenz eines Laserstrahls. Lösen Sie die theoretischen Aufgaben.
2. Lesen Sie die Sicherheitsvorschriften und prägen Sie sich diese gut ein. Tragen Sie immer
eine Schutzbrille!
3. Der nächste Schritt soll der Aufbau des Lasers sein. Bevor Sie den Laser komplett aufbauen,
müssen Sie bereits die erste Messung vornehmen! Justieren Sie den Aufbau danach anhand
des He-Ne-Lasers so gut wie möglich. Lassen Sie den Aufbau und die theoretischen
Rechnungen vom Betreuer kontrollieren.
4. Nehmen Sie nun den Laser zusammen mit dem Betreuer zum ersten Mal in Betrieb.
5. Messen Sie die Effizienz des Lasers mit Hilfe des Powermeters und bestimmen Sie die
Laserschwelle.
6. Führen Sie die Messungen zur Divergenz des Laserstrahles bei verschiedenen Leistungen
und verschiedenen Endspiegeln durch.
7. Erweitern Sie den Laseraufbau zur Messung der thermischen Linse.
8. Messen Sie die thermische Linse. Achtung, diese Messung muss sehr genau durchgeführt
werden, um sinnvolle Resultate zu erhalten!
9. Berechnen Sie aus den gemessenen Daten die Effizienz, die Divergenz und die thermische
Linse und vergleichen Sie diese mit theoretischen Werten, um die Daten zu kontrollieren.
10. Bauen Sie den Laser wieder ab und verstauen Sie ihn fachgerecht.
11. Schreiben Sie Ihren Laborbericht.
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2. Sicherheitsvorschriften
2.1 Schutzbrillen
Die Schutzbrille muss immer getragen werden, sobald der Laser eingeschaltet ist! Sie arbeiten bei
diesem Versuch mit Laserstrahlen der Wellenlänge 808 nm (Pumplaser) und 1064 nm (Nd:YAG),
beide nicht sichtbar für menschliche Augen. Diese Strahlung kann Ihren Augen trotzdem
schwerwiegenden Schaden zufügen, was im schlimmsten Fall zur Erblindung führen kann. Achten Sie
darauf, dass Sie Schutzbrillen für die richtigen Wellenlängen tragen! Sie arbeiten zusätzlich auch mit
einem He-Ne-Laser, der Ihnen als Justierhilfe dient. Achten Sie auch bei diesem Laser darauf,
niemals direkt in den Laserstrahl zu blicken.
Sollten Sie das Gefühl haben, Sie hätten Laserstrahlung abbekommen, so begeben Sie sich
schnellstens zu einem guten Augenarzt, vorzugsweise ins Inselspital. Ihr Gehirn wird einen möglichen
Schaden nach wenigen Minuten herausrechnen, sodass Sie ihn nicht mehr wahrnehmen. Gleichzeitig
wird aber der Schaden an Ihrer Netzhaut immer grösser.
2.2 Arbeiten mit einem Laser
Um die Gefährdung möglichst klein zu halten, ist es üblich, Laserstrahlung auf einen Höhenbereich
knapp über dem Tisch zu beschränken. Dies ist bei dem vorliegenden Laser gegeben. Um
Reflexionen in andere Richtungen zu vermeiden, ziehen Sie bitte alle Schmuckstücke (Uhren, Ringe,
Armbänder usw.) aus Metall oder aus Glas aus, bevor Sie mit der Arbeit am Laser beginnen.
Des Weiteren sollten Sie immer Ihre Augen schliessen, wenn Sie sich im Höhenbereich des Lasers
befinden (z.B. beim Bücken).
Seien Sie sich auch bewusst, dass obwohl die Leistung des Lasers klein ist, er trotzdem kräftig genug
ist, Plastik schmelzen zu lassen, Verbrennungen zu verursachen und Dinge in Brand zu setzen, wenn
Sie sich lange genug im Strahl befinden.
Die Spiegel, die Linsen und der Laserkristall sind sehr schmutz- und berührungsempfindlich. Das
heisst vor allem: Finger weg! Sie zerstören die Beschichtungen, wenn Sie die Spiegel, Linsen oder
den Laserkristall anfassen. Es ist zudem wichtig, dass die Linsen, Spiegel und der Kristall sauber und
staubfrei sind. Beim Betrieb kann dieser sonst eingebrannt werden, was ebenfalls zur Zerstörung der
Beschichtung führt. Überprüfen Sie, ob eine der Komponenten schmutzig ist, und lässt sich dieser
Schmutz nicht mittels Druckluft entfernen, so holen Sie den Betreuer, um diese zu reinigen.
Unternehmen Sie keinen eigenen Reinigungsversuch.
Der Pumplaserstrahl wird über eine Glasfaser ausgekoppelt. Diese kann zerbrechen, wenn Sie zu
stark gebeugt wird. Achten Sie deshalb darauf, diese niemals unnötig stark zu beugen.
2.3 Bedienung des Diodenpumplasers
Sie verwenden in diesem Versuch zum Pumpen Ihres Lasers einen 808 nm Diodenlaser von Limo.
Diodenlaser sind sehr empfindlich, was Stromspitzen oder Falschpolung betrifft. Bereits die statische
Ladung eines Menschen kann die Diode zerstören. Fassen Sie den Diodenlaser niemals an, ohne
selbst geerdet zu sein. Achten Sie darauf, dass die Lochplatte geerdet ist, auf der sich Ihr
Laseraufbau befindet. Schliessen Sie den Diodenlaser niemals selbst an die Stromquelle an. Sollte
dieser nicht angeschlossen sein, holen Sie den Betreuer. Auch sind der Pumplaser sowie der
Laserkristall temperaturempfindlich. Achten Sie deshalb darauf, dass die Wasserkühlung
eingeschaltet ist, bevor Sie den Laser einschalten.
Der Diodenlaser muss wie folgt ein- bzw. ausgeschaltet werden:
Einschalten:
1) Wasserkühlung einschalten.
2) Überprüfen Sie, ob der Diodenlaser kurzgeschlossen ist (kleines Steckkabel bei den
Stromanschlüssen).
3) Schalten Sie die Stromquelle ein mit einem Strom von ca. 0.2 A.
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4) Entfernen Sie das Kurzschlusskabel.
Jetzt können Sie den Strom nach belieben verändern (nicht auf Null).
Ausschalten:
1) Fahren Sie die Stromquelle auf ca. 0.2 A herunter (nicht auf Null).
2) Schliessen Sie den Diodenlaser mittels Steckkabel kurz.
3) Schalten Sie die Stromquelle aus.
4) Schalten Sie die Wasserkühlung aus.
Und nun viel Spass mit dem Versuch.
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3. Theorie
Die gesamte Theorie kann bei Koechner (2006) und Neuenschwander et al. (1995) entnommen
werden.
3.1 Stabilität eines Laserresonators
Ob ein Laserresonator ohne grössere Verluste anschwingen wird, lässt sich anhand einer einfachen
Rechnung überprüfen.
R2 = ∞ f th R1
l2
l1
Abbildung 2: Laserresonator mit thermischer Linse
Da sich bei der in diesem Versuch vorgesehen Anordnung eine thermische Linse ausbildet, sieht die
Rechnung wie folgt aus:
Es soll gelten:
0 < g ∗ g < 1
(3.1)
1 2
Wobei g 1 und g 2 die so genannten g-Parameter des Laserresonators sind und sich wie folgt
berechnen lassen:
g
1
= ' 2
1 − L
− l R f
th
1
(3.2)
g
2
L '
= 1
1 − − l R2
f
th
(3.3)
Dabei bezeichnet L’ die durch die thermische Linse modifizierte Länge des Resonators:
*
L′ = l1 + l
2
− l l
f
1 2
th
(3.4)
R 1 entspricht dem Radius des sphärischen Endspiegels, R 2 ist gleich dem Radius des planen
Endspiegels, f th entspricht der Brennweite der thermischen Linse. l und
1
l sind in Abb. 2 definiert.
2
Wird die Bedingung (3.1) durch einen Laseraufbau nicht mehr erfüllt, so lässt er sich nur mit grossen
Verlusten betreiben, wenn überhaupt.
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3.2 Strahlendivergenz
Die Divergenz ist definiert als der Winkel zwischen den Asymptoten an das Fernfeld von der
Strahlentaille aus:
w 0
Θ/2
Abbildung 3: Definition der Divergenz
Für die Divergenz lässt sich ebenfalls ein theoretischer Wert berechnen. Formel:
2 * λ
Θ =
π * w
0
(3.5)
Mit λ , der Wellenlänge des Lasers, und w 0
, dem Radius der Strahlentaille. Für w
0
lässt sich mit
folgender Formel ein theoretischer Wert berechnen:
λ
w0 = ( ) * L * ( R1
− L )
(3.6)
π
Wobei L die Länge des Resonators darstellt.
Um die gemessene Divergenz mit dem theoretischen Wert zu vergleichen, muss die Messung
extrapoliert werden, bis zu einem Wert, wo keine Leistung den Laserkristall trifft. Nur an dieser Stelle
ist die Brennweite der thermischen Linse gleich Null.
3.3 Thermische Linse
Bedingt durch die Temperaturverteilung, die im Laserkristall beim Pumpen mit dem Diodenlaser
entsteht, bildet sich für den optischen Strahlengang eine thermische Linse aus. Dabei handelt es sich
um eine Konvexlinse mit einer Brennweite, für die man mit folgender Formel einen theoretischen Wert
berechnen kann:
f
th
=
2
* K * wp
1
π
* ( )
P ( dn / dT) 1− exp( −α
l)
h
0
(3.7)
Dabei entspricht K der thermischen Leitfähigkeit des Laserkristalls (0.13 W/cmK), wp
ist gleich dem
Radius des Pumpstrahles (100µm). P h entspricht dem Anteil der Pumpleistung die in Wärme
umgewandelt wird (ca. 1/3 der Pumpleistung). dn/dT beschreibt die Änderung des Brechungsindex bei
einer Änderung der Temperatur (7.3*10 -6 K -1 ). α
0
ist schliesslich der lineare Absorptionskoeffizient
des Laserkristalls (= 4.1 cm -1 ), und l steht für die Länge des Laserkristalls (1cm).
Um die thermische Linse aus Ihren Messungen zu berechnen, werden Sie auf eine Methode von Beat
Neuenschwander zurückgreifen. Die Herleitung der folgenden Gleichung würde den Rahmen dieses
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Praktikums überschreiten. Sollten Sie Sich für die Herleitung interessieren, so finden Sie den
entsprechenden Artikel im Literaturverzeichnis.
w
λ * L′
=
2 2
M
π g1 − g1 g2
g
* (1 * )
(3.8)
Mit Ihren Messungen können Sie w
0
bestimmen. Bei w
0
handelt es sich um den Radius des Strahls,
der hinter einer Linse mit bekannter Brennweite gemessen wird, welche hinter dem Endspiegel im
Abstand ihrer Brennweite aufgestellt wird. Danach wird im Abstand d2 = f3(1 + f3 / R
1)
hinter der
Linse der Strahldurchmesser bestimmt, woraus sich w
0
ergibt. Aus w
0
lässt sich mit folgender
Formel
w
M
berechnet:
w
0
f
w
= 1
∗ (3.9)
M
λ
π
w
M
steht für den Radius des Strahls auf dem Endspiegel. Damit können Sie nun mit Formel
(3.8), sowie den Formeln (3.2) bis (3.4) die Brennweite der thermischen Linse bestimmen. Da
sich (3.8) nicht mehr analytisch nach f
th
auflösen lässt, müssen Sie ein Mathematikprogramm
(z.B. Mathematika) zur Hilfe nehmen, um f
th
zu berechnen.
3.4 Theoretische Aufgaben
- Machen Sie sich vertraut mit dem Prinzip des Lasers, speziell mit dem des Nd:YAG
Festkörperlaser, den Sie in diesem Praktikum benutzen werden. Orientieren Sie sich dabei an
der Literaturliste.
- Erstellen Sie eine Grafik der g-Faktoren für die beiden Endspiegel bei variabler
Resonatorlänge. Überprüfen Sie dabei, ob Ihr Resonatoraufbau noch im stabilen Bereich der
Bedingung (3.1) liegt.
- Sobald Sie den Laser aufgebaut haben und die Länge des Resonators fest steht, bestimmen
Sie theoretische Werte für die Divergenz für beide Endspiegel. Tragen Sie diesen Wert auch
in die Grafik mit Ihren Messresultaten ein. Extrapolieren Sie Ihre Messdaten bis zur
Nullleistung, sodass Sie diese mit dem theoretischen Wert vergleichen können.
- Bestimmen Sie die theoretische Grösse der thermischen Linse für den Praktikumslaser bei
einer Leistung von 0 – 2.5 Watt. Hierfür benötigen Sie die Punktgrösse, mit welcher der
Pumplaser den Kristall pumpt. Um diese zu berechnen, betrachten Sie auf Abb.4 die
Anordnung zur Fokussierung des Laserstrahls auf den Kristall im Zusammenhang mit den
Angaben zum Pumplaser.
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4. Der Laser: Bauteile und Aufbau
4.1 Theoretischer Aufbau
Pumplaser f 1 f 2 R 2 f th
R 1
1 2 3
Abbildung 4: Schematischer Aufbau des Lasers
1) Der Pumplaser
2) Fokussierung
Da der Strahl des Pumplasers beim Verlassen der auskoppelnden Glasfaser eine hohe Divergenz
aufweist, ist es notwendig, diesen mittels 2-Linsen-System auf den Nd:YAG Kristall auszurichten.
Dazu steht ein Turm mit zwei Linsen auf Mikrometertischen bereit. Dabei handelt es sich um eine
Linse mit f = 25 mm und mit f = 50 mm. Die Linse mit der kleineren Brennweite soll näher am
Pumplaser zu stehen kommen.
3) Resonator
Hierbei handelt es sich um den eigentlichen Laser. Dazu stehen Ihnen ein Kristall und eine
Endspiegelhalterung zu Verfügung.
Der Kristall ist derart beschichtet, dass er gleichzeitig auch den Einkopplungsspiegel darstellt. Dazu ist
die eine Seite gleichzeitig AR (anti-reflective) bei 808 nm und HR (high-reflective) bei 1064 nm
beschichtet. Das andere Kristallende trägt eine AR-Beschichtung bei 1064 nm. Ersteres Ende stellt
natürlich den Einkopplungsspiegel dar.
Als Auskopplungsspiegel stehen Ihnen zwei Spiegel (R = 750 mm und R = 500 mm) mit einer
Reflektivität von 98% zur Verfügung. Diese können in der Linsenhalterung befestigt werden. Lassen
Sie dies den Assistenten tun. Die Spiegel sind heikel und wegen der Beschichtung teuer.
Verschmutzung durch Staub oder Fingerabdrücke muss verhindert werden.
Jeder Laser ist im Prinzip eine einfache Anordnung von Linsen, Spiegeln und Kristallen. Die
Schwierigkeit besteht darin, die einzelnen Bauteile zu justieren, sodass ein Laserstrahl entsteht. Das
steht Ihnen nun bevor.
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4.2 Bauteile
Eine Liste der benötigten Bauteile:
- Pumplaser mit Glasfaser
- Turm mit Glasfaserhalterung
- Turm mit Linsen zur Fokussierung
- Kristallhalterung
- Halterung für den Endspiegel
- 2 Endspiegel
- Turm mit einer f = 100 mm Linse
- Diagnoseturm mit Quadratblende und Streulinse
- CCD Kamera, Bildschirm und Filter
- Zwei Papier-Schirme
- Dreieckschiene
- 2 Turmfüsse passend zur Dreieckschiene
- Powermeter
- Stromquelle für den Pumplaser
- Wasserkühlung für den Pumplaser und den Nd:Yag Kristall
- Lochplatte mit Führungsschiene
- He-Ne Laser
- Schraubenzieher
- RG 850 Edgepassfilter von Newport
Überprüfen Sie anhand der Liste, ob alle Bauteile vorhanden sind, und identifizieren Sie die Teile. Es
muss Ihnen noch nicht klar sein, wofür Sie jedes Teil benötigen. Sie werden eins nach dem anderen
im Verlaufe des Versuches kennenlernen.
4.3 Praktischer Aufbau und Justierung
Suchen Sie sich nun folgende Bauteile heraus:
- Kristallhalterung
- Halterung für den Endspiegel
- Turm zur Fokussierung
- Glasfaserhalterung auf Turm
- He-Ne Justierlaser
Hinweis: Die folgenden Schritte zur Justierung sind elementar für das Funktionieren des Lasers. Der
Laser ist heikel und funktioniert nur, wenn er sehr genau justiert ist. Führen sie die folgenden Schritte
deshalb sehr sorgfältig durch und achten Sie darauf, dass alle Teile festsitzen, sodass sie nicht
ungewollt bewegt werden können. Sie werden den Laser sonst nicht zum Lasern bringen. Mit etwas
Übung kann man den Laser in etwa einer Stunde aufbauen. Sie werden wahrscheinlich länger
benötigen. Haben Sie deshalb Geduld, sollte es nicht gleich beim ersten Mal klappen.
1) Vor dem Aufbau
Die Glasfaser sollte bereits in der Halterung auf dem Turm festgeschraubt sein. Sollte dies nicht der
Fall sein, so bitten Sie den Assistenten darum, dies für Sie zu tun. (Fragen Sie ihn am Besten nach
seiner Büro- und Natelnummer, unter Umständen werden Sie seine Hilfe noch ein paar Mal
benötigen). Lassen Sie sich auch direkt einen ersten Endspiegel in der Halterung festmachen.
2) Grundsätzliches
Überprüfen Sie nun, ob die Führungsschiene auf der Lochplatte gut festgeschraubt ist und möglichst
parallel zu den Schraublöchern verläuft. Je mehr Orientierungspunkte Sie beim Aufstellen haben,
desto einfacher. Stellen Sie nun den He-Ne-Laser so weit rechts auf der Platte auf wie möglich,
natürlich an der Führungsschiene. Er wird Ihnen als Justierhilfe dienen. Schalten Sie ihn ein. Richten
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Sie den Laser so aus, dass er parallel zur Führungsschiene strahlt. Sie können das mit einem
Papierschirm überprüfen. Sollte er etwas nach oben oder unten zeigen, so spielt das im Moment keine
Rolle. Seien Sie sich bewusst, dass Sie mit dem He-Ne-Laser die Lage aller weiteren Bauteile
festlegen. Wenn Sie ihn krumm ausrichten, wir auch Ihr Laseraufbau krumm sein, was das Justieren
und alle kommenden Messungen erschwert.
2) Ausrichtung des Kristalls
Als nächstes platzieren Sie den Laserkristall. Da Sie auf der Lochplatte nicht
uneingeschränkt Platz haben und jedes Verschieben des Lasers ein
aufwändiges Justieren nach sich zieht, sollten Sie sich vorab überlegen, wie
weit links Sie den Kristall platzieren können. Auf der linken Seite des Kristalls
muss noch der Fokussierturm und der Turm mit der Fiberhalterung des
Pumplasers Platz haben. Zusätzlich müssen die drei Bauteile Fiberhalterung,
Fokussierturm und Kristall in einem bestimmten Abstand zueinander stehen.
Dieser wird definiert durch die Brennweiten der Linsen auf dem Fokussierturm.
Wenn Sie sich über den Platzbedarf im Klaren sind, platzieren Sie den
Laserkristall im Strahl des He-Ne-Lasers.
Betrachten Sie zur genauen Platzierung sowohl die Reflexion des Justierlasers
auf der eigenen Lochblende sowie den Punkt, auf den der Justierlaser beim
Kristall leuchtet.
Der Justierlaser soll natürlich direkt auf den Kristall einfallen und die Reflexion
soll zurück auf den Ausgangspunkt beim He-Ne-Laser fallen. Stellen Sie die
Kristallhalterung so in den Strahl, dass der Kristall senkrecht unter bzw. über
dem Laserpunkt liegt, und achten Sie darauf, dass die mit HR bezeichnete
Abbildung 5:
Laserkristall in der
Halterung
Seite des Kristalls nach links zeigt. Verstellen Sie den Justierlaser nun derart in der Höhe (und nur in
der Höhe), dass er direkt auf den Kristall leuchtet. Als nächsten Schritt drehen Sie den Turm mit der
Kristallhalterung so, dass die Reflexion des Justierlasers senkrecht über oder unter dem Ursprung des
Laserstrahls liegt. Wahrscheinlich liegt diese Reflexion noch nicht genau im Ursprung. Deshalb muss
nun der Justierlaser noch einmal in der Höhe verstellt werden, bis dies der Fall ist.
Nun sollte der He-Ne-Laser parallel zur Schiene genau auf den Kristall leuchten. Ebenfalls sollte die
Reflexion des Strahls am Kristall wieder genau auf den Ursprung zurück fallen.
3) Ausrichten des Fokussierturms
Bevor Sie den Fokussierturm auf der Platte an der Führungsschiene
platzieren, achten Sie darauf, dass sich der Mikrometertisch in Mittelstellung
befindet. Platzieren Sie ihn danach so, dass sich die rechte Linse im richtigen
Abstand zum Kristall befindet. Die Linsen verursachen Reflexionen des Justierlasers
auf der Kristallhalterung. Anhand dieser lassen sie sich justieren.
Stellen Sie zuerst die rechte Linse ein. Unterbrechen Sie dafür den Justierlaser
zwischen den beiden Linsen mit einem Papierschirm, damit nur Reflexionen an
der rechten Linse entstehen. Verschieben Sie die Linse nun so auf Ihrem
Mikrometertisch, dass beide Reflexionen genau zurück auf den Kristall fallen.
Ist dies der Fall, entfernen Sie den Papierschirm und wiederholen Sie das
Ganze mit der linken Linse.
Abbildung 6:
Fokussierturm
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4) Ausrichten der Glasfaser
Bevor Sie die Glasfaser in den Laser einbauen, führen Sie die erste Messung zur
Effizienzmessung durch (Siehe Kap. 5.1).
Die Glasfaser lässt sich anhand des Justierlasers nur ungenau platzieren. Stellen
Sie den Turm mit der Glasfaserhalterung im richtigen Abstand zu den
Fokussierlinsen auf. Dieser sollte nun ganz links auf der Lochplatte stehen. Achten
Sie auch hier wieder darauf, dass sich der horizontale Mikrometertisch in
Nullstellung befindet. Positionieren Sie danach die Glasfaser mit dem vertikalen
Mikrometertisch so, dass der Justierlaser genau in die Glasfaser leuchtet.
Abbildung 7:
Glasfaserhalterung
5) Positionieren des Endspiegels
Sie haben bei den theoretischen Aufgaben bereits berechnet, in welchem Abstand zum Kristall Sie
den Endspiegel aufstellen können. Stellen Sie ihn nun auf. Unterbrechen Sie den Justierlaserstrahl
nach dem Endspiegel mit einem Papierschirm. Der Endspiegel lässt sich an den beiden Schrauben in
zwei Dimensionen um sein Zentrum drehen. Stellen Sie ihn so ein, dass die Reflexion des
Laserstrahls zurück in den Ursprung fällt.
Ihr Laser sollte nun in etwa wie folgt aussehen:
Abbildung 8: Foto des Laseraufbaus
Nun sind alle Voraussetzungen erfüllt und Sie können den Laser das erste Mal in Betrieb zu nehmen.
Holen Sie dafür den Assistenten zur Hilfe, damit er den Aufbau noch einmal überprüfen kann. Decken
Sie an dieser Stelle den He-Ne-Laser ab, da der Nd:Yag Laser nie direkt auf diesen einstrahlen sollte,
da er zerstört werden könnte. Lesen Sie auch die Sicherheitsvorschriften sowie die Bedienung des
Pumplasers erneut durch.
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4.4 Inbetriebnahme
(SCHUTZBRILLE ANZIEHEN!)
Um festzustellen, ob der Laser funktioniert, ist es am einfachsten, den Laser per CCD Camera zu
beobachten. Sie sehen den Laserstrahl nämlich nicht von Auge, weder mit noch ohne Schutzbrille.
Nehmen Sie also die CCD Camera in Betrieb:
- CCD Camera:
Die CCD Camera ermöglicht Ihnen bei diesem Versuch, die verschiedenen Laserstrahlen zu
sehen. Mit ihr lässt sich sowohl der Pumplaser als auch Ihr Laser beobachten. Achten Sie
darauf, dass die CCD Camera nicht zuviel Leistung abbekommt (kein Strahlenkranz), da sie
sonst zerstört wird. Blenden Sie die Camera immer ab und öffnen Sie die Blende langsam, bis
Sie etwas erkennen können. Es sollten sich keine hellen Strahlungseffekte auf dem Bildschirm
zeigen. Stellen Sie die CCD Camera auch niemals direkt in den Strahlengang, sondern
beobachten Sie immer nur indirekt. Verwenden Sie dort, wo Sie keine genauen Messungen
durchführen müssen, einen Filter.
Als Erstes stellen Sie einen Papierschirm zwischen den Kristall und den Endspiegel und beobachten
diesen mit der CCD Camera. Nehmen Sie dann den Pumplaser wie in Kapitel 2.3 beschrieben in
Betrieb. Drehen Sie den Strom langsam auf zwei Ampere. Bei dieser Stromstärke müsste der
Pumplaserstrahl bereits deutlich mit der CCD Camera zu sehen sein.
Indem Sie die Fokussierlinsen auf Ihren vertikalen Mikrometertischen bewegen, können Sie die
Richtung des Pumplaserstrahls beeinflussen. Beobachten Sie den Papierschirm. Der Pumplaser sollte
möglichst intensiv eine kreisrunde Fläche beleuchten. Dann können Sie sicher sein, dass er gerade
durch den Kristall leuchtet.
Wenn Sie diese Einstellung vorgenommen haben, stellen Sie den Papierschirm neu hinter den
Endspiegel und beobachten Sie ihn wiederum mit der Camera. Achten Sie immer darauf, dass der
Laserstrahl durch irgendetwas aufgefangen wird, durch einen Papierschirm oder eine
Messeinrichtung.
Der Laser schwingt bei einem Pumpstrom von etwa 5.5 A an. Damit Sie ihn sicher sehen können,
steigern Sie den Strom etwa auf 6.75 A. Wahrscheinlich wird Ihr Laser noch nicht lasern und Sie
sehen nur den grossen runden Fleck des Pumplasers. Sie können einen Filter vor die CCD Camera
stellen, um den Pumplaser auszublenden.
Indem Sie vorsichtig die Stellung des Endspiegels verändern, können Sie nun versuchen, den Laser
zum Laufen zu bringen. Behalten Sie dabei den Bildschirm der Camera im Auge. Sobald Sie einen
hellen Punkt von ein oder zwei Millimeter Durchmesser sehen, läuft Ihr Laser. Gratulation!
Es kann durchaus sein, dass es nicht aufs erste Mal klappt. Wenn Sie eine Weile probiert haben, ist
die Stellung Ihres Endspiegels wahrscheinlich so falsch, dass Sie die richtige Position von hier aus
nicht mehr finden. Fahren Sie deshalb die Leistung Ihres Pumplasers auf ein halbes Ampere zurück,
stellen Sie einen Papierschirm zwischen Kristall und Endspiegel und justieren Sie den Endspiegel
anhand Ihres Justierlasers erneut. Decken Sie danach den Justierlaser wieder zu und probieren Sie
den Laser wieder zum Laufen zu bringen.
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4.5 Leistungsoptimierung
Wenn Sie Ihren Laser einmal zum Lasern gebracht haben, können Sie nun noch die Feinjustierung
vornehmen. Dafür müssen Sie allerdings zuerst Ihren Aufbau erweitern. Stellen Sie Ihren Laser dafür
ab (Keine Angst, solange Sie nicht an den Linsen und Spiegeln schrauben, wird er wieder
anspringen).
Entfernen Sie nun Ihren Justierlaser. Sollten Sie ihn erneut brauchen, so können Sie ihn immer wieder
anhand des Kristalls ausrichten. Anstelle des Justierlasers platzieren Sie nun den Messturm mit der
Quadratblende und der Streulinse.
- Der Messturm:
Der Messturm dient als Halterung für zwei
Mikrometertische. Auf dem vorderen ist eine
Quadratblende angebracht, die dazu dient, den Laserstrahl
zu vermessen. Auf dem hinteren ist eine Streulinse
befestigt, die für ein grösseres Bild des Laserstrahles
sorgt, damit die Messungen einfacher werden, und die
zudem das Powermeter schützt.
Abbildung 9: Messturm
Die Quadratblende können Sie im Moment noch wegnehmen (Lösen Sie dafür die Feder, danach wird
sie nur noch von Magneten festgehalten und lässt sich entfernen). Achten Sie darauf, dass wirklich die
Linse im Strahlengang steht. Die Leistung Ihres Lasers reicht nämlich aus, die Fassungen der Linsen
(Plastik) und infolge dessen auch die Linse zu zerstören. Die Streulinse dient zum Schutz des
Powermeters. Stellen Sie das Powermeter ein paar Zentimeter dahinter auf.
- Das Powermeter:
Das Powermeter besitzt eine relativ grosse Messfläche. Es kann viel Leistung aufnehmen
(mehr als Ihr Laser im besten Fall liefert), solange möglichst die ganze Fläche bestrahlt wird.
Deshalb ist es wichtig, das Powermeter immer hinter der Streulinse zu betreiben und den
Abstand zur Streulinse so zu wählen, dass möglichst die ganze Fläche bestrahlt wird.
Nehmen Sie den Laser nun wieder in Betrieb und überprüfen Sie, ob der Laserstrahl auf das
Powermeter trifft und ob möglichst die ganze Messfläche des Powermeters beleuchtet wird.
Sie können nun die Leistung Ihres Lasers messen. Variieren Sie jetzt die Einstellungen der
verschiedenen Komponenten, ausgehend vom Endspiegel bis zur Fiber, und versuchen Sie, die
maximale Leistung herauszuholen. Tests mit Ihren Laserkomponenten haben gezeigt, dass es
möglich ist, dass Ihr Laser etwa 40% der Pumpleistung erbringen kann.
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5. Versuche
5.1 Messung der Effizienz, Bestimmung der Laserschwelle
Bei dem vorliegenden Laser interessiert uns nicht die totale Effizienz des Lasers, da wir keinen
Einfluss auf das Verhalten des Pumplasers nehmen können. Dafür zeigt eine Messung der Effizienz
von Laserleistung zu Pumplaserleistung sehr gut, wie effektiv unser Resonator ist. Nehmen Sie also
mit dem Powermeter zuerst die Leistung des Pumplasers in Abhängigkeit des Stromes auf, bevor Sie
dasselbe mit Ihrem Laser machen. Berücksichtigen Sie dabei die Verluste pro durchquerter
Glasoberfläche von 4%. Benutzen sie zudem bei der Messung ihres Lasers den RG 850 Filter, um die
Pumpstrahlung herauszufiltern. Begründen Sie die Ergebnisse Ihrer Messung im Laborbericht.
Während der Messung der Effizienz können Sie gleichzeitig die Laserschwelle bestimmen. Fahren Sie
den Laser langsam auf Nullleistung herunter. Und nehmen sie die Kurve auf. Interpolieren sie dann
das Ergebnis, und bestimmen sie so den Schnittpunkt mit der Achse.
5.2 Messung der Divergenz
Zur Messung der Divergenz erweitern Sie den Messturm wieder um die quadratische Lochblende
(Seitenlänge des Quadrates: 5 mm). Danach messen Sie mit Hilfe dieser Lochblende den
Durchmesser des Laserstrahls in zwei verschiedenen Abständen zum Endspiegel. Dabei wird die
Messung genauer, je weiter Sie vom Endspiegel weg und je grösser die Abstände zwischen den
einzelnen Messpunkten sind.
Da für diese Messung der Platz auf der Lochplatte bei weitem nicht mehr ausreicht, werden Sie die
Dreiecksschiene benutzen. Dafür müssen Sie die Messtürme umbauen.
Die Messung sollte wie folgt aussehen: Der Laserstrahl trifft nach dem Endspiegel zuerst auf die
Lochblende. Diese können Sie pro Position und Leistung einmal von oben und einmal von unten
durch den Laserstrahl fahren und jeweils die Höhe auf der Mikrometerschraube ablesen. Aus den
zwei Werten lässt sich der Durchmesser errechnen und aus den zwei verschiedenen Positionen der
Messung die Divergenz.
Nach der Blende trifft der Laserstrahl auf eine Streulinse, die dazu dient, den Laserstrahl grösser
abzubilden. Nach der Streulinse lassen Sie den Strahl auf eine Papierblende treffen. Diese
beobachten Sie mit der CCD Kamera. So können Sie gut beobachten, wie die Blende den Strahl
langsam überdeckt. Achten sie darauf, dass sie für diese Messung die Blende der Camera ganz
geöffnet haben.
Messen Sie die Divergenz bei verschiedenen Leistungen für beide Endspiegel.
5.3 Messung der thermischen Linse
Zur Messung der thermischen Linse hat Beat Neuenschwander eine Methode entwickelt, die
überraschend einfach ist. Dazu muss der Messaufbau allerdings ein weiteres Mal erweitert werden.
Stellen Sie hinter dem Endspiegel eine Linse f 3 mit Brennweite 100 mm im Abstand von 100 mm auf.
Messen Sie danach den Strahldurchmesser hinter dieser Linse im Abstand d2 = f3(1 + f3 / R
1)
. Mit
dem Strahlenradius (= halber Durchmesser) an dieser Stelle können Sie mit den Formeln (3.9) und
(3.8) die thermische Linse berechnen.
Für diesen Teilversuch können Sie im Laborbericht auf eine Fehlerrechnung verzichten, da der Fehler viel
grösser wird als Ihr Wert für die Brennweite der thermischen Linse. Trotzdem sollte die Messung gut die
theoretischen Werte bestätigen.
Abbildung 10: Aufbau zur Messung der thermischen Linsen
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6. Anhang
6.1. Quellenangaben und Literaturvorschläge
- W. Koechner: Solid–State Laser Engineering, Springer Verlag (Kapitel zu Nd:YAG).
- Beat Neuenschwander, Rudolf Weber, and Heinz P.Weber: Determination of the Thermal
Lens in Solid-State Lasers with Stable Cavities, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.
31, No. 6, pp. 1082 - 1087, June 1995.
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- http://de.wikipedia.org/wiki/Laser (Stand 16.08.07)
- http://de.wikipedia.org/wiki/Nd:YAG-Laser (Stand 16.08.07)
- Thomas Feurer: Experimentelle Optik, Skript Unibe SS07 (Kapitel 4 bis und mit 4.1.3:
Ausbreitung lokaliSierter Wellenpakete).
- http://www.newport.com/store/genproduct.aspx?id=141135&lang=1033&Section=Spec
(Stand 25.10.07)
6.2 Transmissionskurve RG 850 Filter von Newport
Abb. 11: Transmissionskurve RG-Filter
Ein ausführliches Datenblatt zu diesem Filter erhalten Sie vom Assistenten.
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