Fortgeschrittenenpraktikum Angewandte Physik TU-Braunschweig Versuch E HeNe-Laser 07. Okt. 2005

1. Einleitung 1.1 Versuchsziel Dieser Versuch soll die Mechanismen der Lichterzeugung im Laser verdeutlichen. Insbesondere wird auf die Lichtverstärkung und die Stabilität des Lasers sowie die Gauß’sche Strahlenoptik zur Beschreibung von transversalen Moden eingegangen.

1.2 Erforderliche Kenntnisse -

Absorption, spontane und induzierte Emission, Einstein-Koeffizienten, Kohärenz Laserbedingung (Schwellbedingung), Besetzungsinversion, Verstärkung, Rückkopplung Resonatortypen, Beugungsverluste, Stabilitätskriterium, Gauß’sche Optik, longitudinale und transversale Moden, Feldverteilung des konfokalen sphärischen Resonators HeNe-Laser, Pumpmechanismus Beugung am Spalt Fresnelsche Formeln, Brewster-Winkel

1.3 Literaturhinweise -

Weber, Herziger „Laser: Grundlagen und Anwendungen“ O. Svelto „Principles of Lasers“ W. Demtröder „Laserspektroskopie“ F. K. Kneubühl, M. W. Sigrist „Laser“ N. Hodgson, H. Weber „Optische Resonatoren“ W. Demtröder „Grundlagen und Techniken der Laserspektroskopie“ J. Eichler, H.-J. Eichler „Laser“

1.4 Ausstattung des Versuches -

HeNe-Gasröhre mit Brewster-Fenstern Spiegelsatz: Konkaver Auskoppelspiegel (R=0.75m), konkaver (R=0.75m) und planer hochreflektierender Spiegel Streulinse f = 15mm Pilotlaser Variable Lochblende Drehbares Glasplätchen (Boronsilikat n(633nm)=1,52) Webcam mit Rechner Photodiode mit Verstärker Spaltblende Schutzbrillen

Der HeNe-Laser in diesem Versuch besteht aus einer mit einem HeNe-Gemisch gefüllten Röhre (5mm Durchmesser), die fest auf einer optischen Bank positioniert ist. Die Röhre wird mit mehreren tausend Volt Hochspannung betrieben. Sie ist deshalb hinter einer Plastikabdeckung zufälligen Kontakten bei der Versuchsdurchführung entzogen. Es sollte nicht ohne Aufsicht versucht werden die Abdeckung zu entfernen. Auch im ausgeschalteten Zustand kann noch eine Hochspannung über der HeNe-Röhre anliegen! Zum Laser gehören ebenfalls die zur Lichtrückkopplung verwendeten Spiegel. Dabei handelt es sich um einen Auskoppelspiegel (OC, output coupler), der 1-2 % des Laserlichtes durchlässt, und einen hochreflektierenden Spiegel (HR, high reflector), der möglichst maximale Reflexion aufweist (bis 0.3% Transmission). In diesem Versuch wird der Resonator mit den zwei konfokalen Spiegeln gleichen Krümmungsradius betrieben. Die Lochblende und eventuell selbst anzufertigende Gitter (Draht, Stofffasern, Haare) werden innerhalb des Resonators verwendet, um unterschiedliche transversale Lasermoden zu erzeugen. Mit der Streulinse kann der Laserstrahl außerhalb des Resonators aufgeweitet werden, was die Analyse der Intensitätsverteilung im Strahl erleichtert. Photodiode und Webcam mit Rechner ermöglichen die Aufnahme der Intensitätsprofile. Achtung! Es gibt bei der Durchführung des Versuches zwei Gefahrenquellen. Der Laser gehört zur Laserklasse 3A. Augen müssen vor dem Laserlicht geschützt werden. Deshalb sind bei Justierarbeiten am Laser die Schutzbrillen zu tragen. Außerdem wird der Laser mit Hochspannung betrieben. Kontakt mit der Laserröhre oder Beschädigung der Hochspannung führenden Kabel sollte unbedingt vermieden werden.

Der Laser reagiert sehr empfindlich auf kleinste Änderungen der Spiegelpositionen und der Laserbetrieb findet nur in einem sehr kleinen Winkelbereich der Spiegeleinstellungen statt. Es sollte deshalb immer nur ein Spiegel verstellt werden und der Laser durch Justieren dieses Spiegels wieder in Betrieb genommen werden. Erst dann darf erneut ein Spiegel verstellt werden. Eine Neujustierung, wenn beide Spiegel verstellt wurden, ist extrem Zeitaufwendig und kann einige Stunden in Anspruch nehmen!

2. Laserstabilität Zu Beginn der Versuchsdurchführungen wird die Hochspannung an die HeNe-Röhre angelegt, indem der Schalter am Netzteil betätigt wird. Die Hochspannung baut sich zwischen Kathode und Anode auf. Die Röhre zündet nach einigen Sekunden. Sind die Positionen der Laserspiegel nicht verändert worden, sollte sofort der Laserbetrieb beginnen. Ansonsten müssen beide Spiegel zugleich justiert werden (siehe Abschnitt „Laserspiegel Justieren“). Für diesen Versuchsteil wird die Modenblende ganz geöffnet bzw. aus den Resonator entfernt, um eine maximale Strahlintensität zu erhalten. Der Laserstrahl wird mit der Streulinse aufgeweitet und die Webcam wird eingesetzt um die Leistung zu messen. Dazu startet man auf dem Rechner das Programm VIMMS (Befehl „vfl“ in einer Shell unter Linux). In VIMMS wird wahlweise das Programm prakprog1.vfl oder prakprog2.vfl je nach gewünschter niedriger oder hoher Ortsauflösung aus dem Verzeichnis / home/praktikum/Laserpraktikum/Programme/ geöffnet. Zur Handhabung des Programms gibt es eine Einweisung durch die betreuende Person. Durch verschieben der Spiegelpositionen (jeweils nur einen Spiegel verstellen und dann erst wieder den Laserbetrieb suchen) soll die Resonatorlänge im Bereich von 50cm bis 150cm variiert werden. Die Integrierte Laserleistung soll als Funktion der Resonatorlänge aufgenommen werden. Dabei ist zu überlegen, wo sich die Streulinse befinden muß, damit auf dem Schirm eine immer gleich große Fläche ausgeleuchtet wird. Ebenfalls muß darauf geachtet werden, daß das Kamerasignal nicht übersteuert wird, was zu verfälschten Intensitätswerten führen würde (bei Bedarf Laserlicht durch mehrere Papierbögen, die als Schirm dienen, abschwächen). Das Ergebnis ist im Hinblick auf die Stabilitätsbedingung für den Laserresonator zu diskutieren. Welche Moden liefern bei unterschiedlichen Resonatorlängen die höchste Lichtintensität? Kann durch diese Messung der Krümmungsradius der konfokalen Laserspiegel bestimmt werden? Leiten sie die Stabilitätsbedingung für Laserresonatoren her!

3 Wellenlängenbestimmung Mit Hilfe einer Spaltblende soll die Laserwellenlänge bestimmt werden. Hier und in allen weiteren Versuchsteilen ist die Konfiguration mit den zwei konvokalen Spiegeln zu benutzen, wobei der Abstand der Spiegel dem ihrer Radien entsprichen soll. Die Spaltblende wird in den Strahlengang des Lasers gesetzt. Bei genügend schmalen Spalt tritt Interferenz durch Beugung auf. Aus dem Abstand der Extrema des Beugungsbildes zur Interferenzbildmitte und den räumlichen Abstand von Spaltblende und Beugungsbild, sowie der Spaltöffnung ist die Laserwellenlänge zu ermitteln. (Die Nullposition der Mikrometerschraube an der Spaltblende

ist zu überprüfen! Die minimale Spaltbreite sollte 150µm nicht unterschreiten!) Fehlerrechnung!

4 Strahlgeometrie Die Lasermoden breiten sich im Resonator in einem Gaußförmigen Profil aus, das sich auch außerhalb des Resonators fortsetzt. Aus der Breite der Grundmode des Lasers in unterschiedlichem Abstand vom Laser und der Laserwellenlänge soll die minimale Strahltaillenbreite im Resonator und nochmals der Krümmungsradius der konvokalen Spiegel überprüft werden. Zur Bestimmung der Modenausdehnung kann die Webcam hilfreich sein. Hiezu gibt es drei Vorgehensweisen, die miteinander verglichen werden sollen: 1. Der Strahlverlauf der Grundmode ist gegeben durch: 1

  2z  2  2 w( z ) = w0 1 +      R    1

 Rλ  2 w0 =    2π  w(z) und w0 ist jeweils der Abstand des 1/e-Abfalls der Feldstärke von der Strahlachse in einer Entfernung z vom Resonatormittelpunkt und im Resonatormittelpunkt; R ist der Krümmungsradius der Spiegel. Aus der Grundmodenbreite in verschiedenen Abständen z vom Resonatormittelpunkt soll die Modenbreite im Resonatormittelpunkt und der Krümmungsradius der Spiegel bestimmt werden. Hierzu ist es notwendig die Grundmode mit Hilfe einer Modenblende zu erzwingen. Die Modenblende kann höhere Moden unterdrücken, da diese eine breitere Strahltaille haben, die sich auch noch schneller mit der Entfernung zum Resonatormittelpunkt aufweitet. Um sämtliche Anteile höherer Moden zu unterdrücken, soll versucht werden, die Grundmode möglichst weit einzuschnüren, so daß der Laserbetrieb aber noch erhalten bleibt. 2. Im Fernfeld kann man die Gaußform durch eine Kegelform annähern: λ θ= πw0 θ ist hier der Öffnungswinkel des Laserstrahls. Aus dem Öffnungswinkel weit vom Resonator entfernt sollen die Modenbreite im Resonatormittelpunkt und der Krümmungsradius der Spiegel bestimmt werden. 3. Mit der Bikonvexlinse (f=15mm) kann der Laserstrahl aufgeweitet werden. Das ursprüngliche Gaußprofil des Lasers wird hinter der Linse verformt zu einem neuen Gaußprofil mit neuer Strahltaille in der Brennebene der Linse. Die Strahltaille hinter der Linse, w1, kann wie unter 1. bestimmt werden. Mit der Näherung λf w0 = πw1 kann anschließend die Strahltaille im Resonator und auch wieder der Krümmungsradius der Spiegel bestimmt werden. Die zusätzliche Aufweitung hat den Vorteil, dass das Intensitätsprofil mit der Webcam aufgenommen werden kann. Diskutieren Sie Unterschiede die bei den drei Messverfahren auftreten!

5 Transversale Lasermoden Die Grundmode und höhere transversale Lasermoden sollen erzeugt werden. Dazu können unterschiedliche Komponenten im Resonator verwendet werden. Durch geringe Variation der Spiegelwinkel lassen sich Grundmode und höhere Moden einstellen. Die Irisblende kann im Resonator so weit geschlossen werden, dass höhere Moden abgeschwächt werden. Zusätzlich kann man ein Gitter bestehend aus einem oder mehreren dünnen Drähten, Stofffasern oder Haaren in den Strahlengang einbringen, das höhere Moden erzwingt. Alle einzustellenden Moden sollen mit der Webcam gespeichert werden und es sollen Linescans über die Intensitätsverteilung aufgenommen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Webcam nicht übersteuert wird, was den Intensitätsverlauf verfälscht. Die Intensitätsprofile sind mit der Theorie zu vergleichen indem die theoretischen Verläufe an die Daten angepaßt werden sollen. (Zum Konvertieren von ppm-Dateien in jpeg-Dateien kann unter Linux der Befehl „ppmtojpeg datei.ppm>datei.jpeg“ benutzt werden!)

6 Laserverstärkung und Laserverluste Mit Hilfe eines drehbaren Glasplättchens im Resonator soll die Verstärkung A des Lasers bestimmt werden. Unter dem Brewsterwinkel lässt das Glasplättchen maximal viel Laserlicht durch (Weshalb?). Durch Drehen des Winkels steigt der Anteil des herausreflektierten Lichtes, bis der Laser ausgeht. Die Reflexionsverluste am Glasplättchen sowie die Spiegelverluste (OC: R=99+/-0,5% / HR: R=99,8+/-0,1%) lassen sich berechnen. Die Resonatorverluste durch Reabsorption und Streuung an Staub können auf 1% abgeschätzt werden. Interne Transmissionsverluste innerhalb des drehbaren Glasplättchens liegen bei 0.1%. Aus den Verlusten ist die Transmission T des Laserlichts für einen Durchgang durch den Laser und mittels T*A>=1 die Verstärkung zu bestimmen. Für die Bestimmung der Reflexionserluste durch den Winkel des zusätzlichen Glasplättchens sind die Fresnelschen Formeln hilfreich. Man beachte, dass in einem Umlauf im Resonator der Laserstrahl zweimal das Glasplättchen durchläuft und damit vier mal das Medium wechselt. Da das Glasplättchen nicht besonders plane Oberflächen aufweist, tritt auch unter dem Brewster-Winkel noch Reflexion auf. Der gesamte Winkelbereich um den Brewster-Winkel, in dem der Laser nicht ausgeht ist deshalb zu bestimmen. Aus diesem Winkelbereich soll auf die Reflexionsverluste geschlossen werden. Die zusätzlichen Streuverluste sollen vernachlässigt werden. Da das Glasplättchen annähernd 3mm dick ist, tritt eine Parallelversetzung des Laserstrahls im Resonator auf. Beim Bestimmen des maximalen Winkelbereichs ist diese Versetzung durch Nachjustieren der Spiegelwinkel am OC zu korrigieren. Dies erweitert den Winkelbereich in dem der Laser an bleibt.

Anhang: Laserspiegel justieren Sind beide Resonatorspiegel verstellt worden, so dass die Einstellungen für den Laserbetrieb nicht wieder gefunden werden können, ist eine komplette Neujustage der Spiegel erforderlich. Für diesen Prozeß wird ein HeNe-Pilotlaser verwendet, an dessen Laserstrahl die Ausrichtung von Laserröhre und Laserspiegeln erfolgt. Die Spannung an dem Versuchslaser kann ausgeschaltet werden. Die Laserspiegel werden von der optischen Bahn entfernt (Die Spiegel vorsichtig behandeln und die Spiegelflächen nicht berühren!). Es bleibt nur die Röhre auf der optischen Bahn und die zugehörige Abdeckung. Der Pilotlaser wird mit einem x-y-z-Tisch so über die optische Bahn angebracht, dass der Laserstrahl durch die Brewsterfenster der Röhre läuft. Die Winkel und die Positionen des Pilotlasers müssen anschließend nachjustiert werden, bis der Laserstrahl durch die Röhre läuft, ohne die innere Kapilare zu berühren. Dies ist der Fall, wenn der Laserreflex auf einem Blatt Papier hinter der Röhre nur noch aus einem Punkt besteht und keine Ringe oder Ringsegmente aus Reflexionen mehr aufweist. Ist der Pilotlaser ausgerichtet, wird der HR hinter der Röhre wieder auf die optische Bahn gesetzt. Direkt vor dem Pilotlaser wird ein Papierstück mit einem kleinen Loch befestigt, das gerade den Pilotlaserstrahl passieren lässt. Nun werden die Winkel des HR so verstellt, dass der Pilotlaserstrahl durch die Röhre zurückgeworfen wird und neben dem Loch im Papier trifft. Hin- und zurückführender Strahl müssen übereinander liegen. Deshalb werden die Winkel des HR variiert bis der zurückgehende Strahl genau wieder im Loch im Papierstück verschwindet. Geschieht dies, ist auch der HR ausgerichtet. Als nächstes wird der Pilotlaserstrahl abgeblockt, die Hochspannung über die Röhre wieder angelegt und der OC (konkav) auf die optische Bahn gesetzt. Wenn horizontaler und vertikaler Winkel des OC ausgerichtet sind, sollte der Versuchslaser seinen Betrieb aufnehmen. Dazu wird ein Winkel gerockt, während der andere langsam über die Justierschraube durchgefahren wird. Die Winkeleinstellungen sind nahezu korrekt, wenn rote Reflexe auf Spiegeloberflächen oder Brewsterfenster erscheinen. Dann müssen die Winkel nur noch gering korrigiert werden bis der Laser im Dauerbetrieb läuft. Ist ein Lasern auch nicht nach mehreren Justierversuchen des OC zu erreichen, so muß die gesamte Justierprozedur erneut durchgeführt werden. Ein weiteres Hindernis zum Erreichen des Laserbetriebs können auch verstaubte Brewsterfenster an der Röhre sein. Eventuell ist eine Säuberung dieser Fenster notwendig. Diese Säuberung jedoch nur unter Anleitung der betreuenden Person durchführen.