Praktikum Lasertechnik, Protokoll Versuch Nd:YAG 02.06.2014 Ort: Laserlabor der Fachhochschule Aachen Campus Jülich

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung

2

2 Fragen zur Vorbereitung

2

3 Geräteliste

2

4 Versuchsaufbau

3

5 Justieren des Laseroszillators

3

6 Justieren des Verstärkers

5

7 Einfluss der Parameter 7.1 Verzögerungszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Verstärkerspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5 6

8 Justieren des Frequenzverdopplung

7

1

2

Protokoll Versuch Nd:YAG

1 Einleitung Dieser Versuch beschreibt das Vorgehen mit einem blitzlampengepumpten Laser anhand eines Nd:YAG-Lasers mit einer Energie von 500 mJ/Puls. Laseroszillator und Verstärker werden justiert, optimiert und anhand verschienedener Parameter beeinflusst. Außerdem wird mit einem nichtlinearen, hier DCDA-Kristall die Frequenzverdopplung dieses Lasers nachgewiesen.

2 Fragen zur Vorbereitung 1. Der Nd:YAG-Laser hat seinen Namen vom Seltene-Erde-Element Neodym, welches als dreiwertiges Ion in einem Yttrium-Aluminium-Granatkristall sitzt. 2. Der betrachtete Laser wird mit einer Blitzlampe gepumpt, dessen übertragbare Energie durch die Oszillatorspannung variiert werden kann. 3. Eine weitere Anregungsart besteht in der Verwendung von Halbleiterlasern. 4. Diese traten zwar historisch später auf, „verschwenden“ jedoch kein breites, da ungenutztes Spektrum. Das Absorptionsspektrums eines Nd:YAG-Kristalls liegt bei 808 nm. Mit einem Wirkungsgrad von 20–50 % liegt der Wirkungsgrad bei Anregung durch Halbleiterlaser zehnmal höher als bei Anregung durch Blitzlampen. 5. Die typische Wellenlänge (nicht frequenzverdoppelt) liegt bei damit im Infrarot.

= 1064 nm und liegt

6. Der Faustformel-Zusammenhang zwischen Pulsenergie, Pulsdauer und Spitzenenergie lässt sich mittels P = E/t berechnen. 7. Für die gegebenen Werte ergibt sich daher eine Spitzenleistung von P10 µs = 10 kW sowie P10 ns = 10 MW. 8. Frequenzverdopplung bedeutet das Einbringen eines zusätzlichen Resonatorkristalls, der in diesem Fall die Wellenlänge halbiert (vgl. Versuchsteil 4) 9. Die Leistung des frequenzverdoppelten Pulses wird mittels eines Wirkungsgrads ⌘ abhängig von der Leistung bei Fundamentalwellenlänge beschrieben: ⌘= 10.

I(2!) I(!)

= 532 nm hat die Farbe grün.

3 Geräteliste • Nd:YAG-Laser ( = 1064 nm) inkl. Verstärker • DCDA-Kristall (deuteriertes Cäsiumdihydrogenarsenat) mit Heizung • Hg-Filter • Abschwächer/ND-Filter

3 • Photodiode

Lasertechnik-Praktikum: Nd:YAG-Laser

Protokoll Versuch Nd:YAG

04.2013

• Oszilloskop mit Drucker

Variieren Sie zuerst bei fester Verzögerung von 300 µs und einer Oszillatorspannung

von 700 V die Verstärkerspannung ebenfalls in 100 V-Schritten im Bereich von 1500 • Fluoreszenzplättchen

bis 2300 V. Wiederholen Sie die Messreihe für eine Oszillatorspannung von 650 V. Für die Auswertung stellen Sie die Pulsenergie als Funktion der Verstärkerspannung für beide Oszillatorspannungen in einem Diagramm dar.

Untersuchen Sie dann den Einfluss der Verzögerungszeit auf die Pulsenergie. Stel4 Versuchsaufbau len Sie dazu die Oszillatorspannung auf 700 V, die Verstärkerspannung auf 2300 V. Variieren Sie die Verzögerungszeit im Bereich von 100 bis 500 µs in Schritten von 50 µs. Die Verzögerungszeit am linken Anschlag des 10-Gang-Potentiometers allgemeine Versuchsaufbau ist in 1 erkennbar. Je nach Versuchsteil beträgt schon 100 µs! Stellen SieAbbildung für die Auswertung die Pulsenergie als Funktion der Verzögerungszeit dar.

Der wird der Schirm durch eine Photodiode ersetzt. Es ist auch bereits der DCDA-Kristall zu erkennen.

Verstärker Umlenkspiegel

Umlenkspiegel

Monitor Photodiode -

Strahlteiler

Pump Cavity

Pump Cavity

VerdopplerKristall

Endspiegel

Auskoppelspiegel

Oszillator

Abbildung 1: Allgemeiner Aufbau des Nd:YAG-Lasers

Abb. 1: Schematischer Aufbau des Nd:YAG-Lasers. Der Oszillator enthält einen kleineren zylindrischen Nd:YAG-Kristall, der von einer Blitzlampe optisch gepumpt wird. Über die Ladespannung kann die Energie der Blitzlampe variiert werden. Der Laserpuls verlässt den Oszillator und wird über zwei Umlenkspiegel in den Verstärkerkristall gelenkt. Dieser ist größer und länger als der Oszillatorkristall. Er wird von zwei Blitzlampen gepumpt. Der Verstärkerkristall wird nur einmal durchlaufen.

Der Laserpuls den Verstärker genau einmal und wird dabei durch stimu5 Justieren desdurchquert Laseroszillators lierte Emission verstärkt. Dazu ist es notwendig, eine hinreichend große Inversion im Verstärkerkristall zu haben, wenn der Laserpuls eintrifft. Man erreicht dies dadurch, dass die beiden Blitzlampen im Verstärker zuerst getriggert werden, bevor die Osziljelator-Blitzlampe 2 Schrauben und Auskoppelspiegel mit am einer EndVerzögerung von ca. 300 µs gezündetwird wird. das Signal auf

Mittels von eine möglichst hohe Ausgangsleistung eingestellt. Im Oszilloskop sich ein 1 MΩ-EingangsDer verstärkte Laserpuls ( = 1064 nm) kann dann ggf.befindet einen Verdopplerkristall durchqueren, wo er durchin nichtlineare Effekte so dass grüwiderstand, der das Maximum Abbildung 2 frequenzverdoppelt eindeutig bei wird, 294 mV erkennen lässt. Es nes Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm zur Verfügung steht. schließt sich eine abfallende e-Funktion an. Außerdem sind noch zwei weitere Spitzen auf dem Oszilloskop abgebildet, wovon eines noch in der Abbildung erkennbar ist. Diese lie-4gen im Abstand von in diesem Fall t = 300 µs auseinander und stellen mit getriggerter Verzögerung das erkannte Signal beider Blitzlampen aus Verstärker und Oszillator dar. Wird ein kleinerer wie hier geschehen 1,5 kΩ-Eingangswiderstand parallel geschaltet, d.h. direkt auf den Eingang des Oszilloskops, sinkt der Gesamtwiderstand und letztlich die Spannung. In Abbildung 3 ist außerdem eine schnellere Reaktion zu beobachten: Es findet keine Aufintegration mehr statt bzw. die oben erwähnte e-Funktion als Entladekurve eines Kondensators wird nicht mehr beobachtet. Das Diagramm besticht durch ein anfängliches globales Maximum und mehrere lokale Maxima im Anschluss, welche allerdings erneut durch eine abklingende e-Funktion eingehüllt werden können. Insgesamt ist das Signal ca. 7,5 Kästchen lang, was einer Pulsdauer von ca. 75 µs entspricht.

4

Protokoll Versuch Nd:YAG

Abbildung 2: Messergebnis zur Bestimmung des Pulsmaximums

Abbildung 3: Messergebnis zur Bestimmung der wahren Pulsdauer

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Protokoll Versuch Nd:YAG

6 Justieren des Verstärkers Der Verstärker wurde bereits justiert. Das Strahlprofil ist in Abbildung 4 deutlich erkennbar, wobei ein rundes Abdampfen weitgehend, jedoch nicht komplett geschehen ist.

Abbildung 4: Fotopapier zur Bestimmung des Strahlprofils

7 Einfluss der Parameter 7.1 Verzögerungszeit Zunächst wird der Einfluss der Verzögerungszeit t auf die Pulsenergie E ermittelt. Dabei werden die Verstärkerspannung bei U = 2300 V und die Oszillatorspannung bei U = 710 V konstant gehalten. Die Messwerte sind in Tabelle 1 dargestellt: Es wurden jeweils vier Pulse pro Verzögerungszeit mit einer Photodiode und angeschlossenem Oszilloskop aufgezeichnet, gemittelt und mit Standardabweichung sU angegeben. Mit dem Umrechnungsfaktor a = 8,16 VJ kann in die Pulsenergie aus der gemittelten Spannung U einschließlich Fehler umgerechnet werden. t/µs 100 150 200 250 300 350 400 450 500

1. 1,20 1,98 2,74 3,32 3,72 3,56 3,12 2,68 2,14

U /V 2. 3. 1,20 1,20 1,98 1,94 2,72 2,74 3,34 3,34 3,72 3,68 3,64 3,64 3,32 3,24 2,68 2,64 2,06 2,10

4. 1,16 1,94 2,8 3,36 3,64 3,56 3,2 2,72 2,14

U /V 1,19 1,96 2,75 3,34 3,69 3,60 3,22 2,68 2,11

sU 0,0200 0,0231 0,0346 0,0163 0,0383 0,0462 0,0833 0,0327 0,0383

E=U/a / mJ 0,1458 0,2402 0,3370 0,4093 0,4522 0,4412 0,3946 0,3284 0,2586

E=

sU a

0,00245 0,00283 0,00425 0,00200 0,00469 0,00566 0,01020 0,00400 0,00469

Tabelle 1: Messwerte Spannung der Photodiode in Abhängigkeit der Verzögerungszeit t Wird die Pulsenergie gegen die Verzögerungszeit aufgetragen ist eine deutlich parabelförmige Abhängigkeit sichtbar. Eine im Diagramm eingeblendete Funktion beschreibt die quadratische Abhängigkeit sehr gut. Die Verzögerungszeit mit der größten Pulsenergie wird bei t = 300 µs gemessen.

6

Protokoll Versuch Nd:YAG

Variation der Verzögerungszeit 0,6 y=

Pulsenergie E / mJ

0,5

Messwerte 6,1 · 10 x + 0,0039x 0,1982 6 2

R2 = 0,9869

0,4 0,3 0,2 0,1 0

100

150

200

250 300 350 Verzögerungszeit t / µs

400

450

500

7.2 Verstärkerspannung Schließlich wird der Einfluss der Verstärkerspannung UVerst. auf die Pulsenergie E ermittelt. Bei konstanter Verzögerungszeit von t = 300 µs und zwei jeweils konstanten Oszillatorspannungen sind die Messwerte in den Tabellen 2 und 3 dargestellt. Erneut wurden jeweils vier Pulse pro Verzögerungszeit aufgezeichnet, gemittelt, mit Standardabweichung sU angegeben und in die Pulsenergie umgerechnet. UVerst. /V 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300

1. 1,200 1,360 1,640 1,920 2,120 2,520 2,960 3,320 3,680

UOszilloskop / V 2. 3. 1,160 1,200 1,380 1,400 1,640 1,620 1,880 1,920 2,200 2,240 2,520 2,440 2,960 2,840 3,240 3,400 3,640 3,680

4. 1,160 1,400 1,640 1,840 2,200 2,560 2,880 3,160 3,680

U /V

sU

1,180 1,385 1,635 1,890 2,190 2,510 2,910 3,280 3,670

0,0231 0,0191 0,0100 0,0383 0,0503 0,0503 0,0600 0,1033 0,0200

E=U/a / mJ 0,1446 0,1697 0,2004 0,2316 0,2684 0,3076 0,3566 0,4020 0,4498

E=

U a

0,00283 0,00235 0,00123 0,00469 0,00617 0,00617 0,00735 0,01266 0,00245

Tabelle 2: Variation der Verstärkerspannung bei UOszillator = 710 V Wird die Pulsenergie gegen die Verstärkerspannung aufgetragen ist genauso eine parabelförmige Abhängigkeit erkennbar. Für beide Oszillatorspannungen beschreiben die angegebenen quadratischen Funktionen sehr gut die erfassten Messwerte. Ein Extremum jedoch ist im gemessenen Bereich nicht erkennbar. Die Grenzen sind hier sicherlich durch die Gerätespezifikationen gegeben.

7 UVerst. /V 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300

1. 0,872 0,936 1,110 1,280 1,480 1,800 1,960 2,200 2,480

UOszilloskop / V 2. 3. 0,832 0,832 1,030 0,944 1,110 1,180 1,280 1,280 1,420 1,460 1,780 1,800 1,980 2,060 2,240 2,140 2,560 2,520

4. 0,856 0,984 1,150 1,260 1,540 1,680 2,020 2,160 2,540

Protokoll Versuch Nd:YAG

U /V

sU

0,848 0,974 1,138 1,275 1,475 1,765 2,005 2,185 2,525

0,0196 0,0431 0,0340 0,0100 0,0500 0,0574 0,0443 0,0443 0,0342

E=U/a / mJ 0,1039 0,1193 0,1394 0,1563 0,1808 0,2163 0,2457 0,2678 0,3094

E=

U a

0,00240 0,00528 0,00417 0,00123 0,00613 0,00704 0,00543 0,00543 0,00419

Tabelle 3: Variation der Verstärkerspannung bei UOszillator = 650 V Lasertechnik-Praktikum: Nd:YAG-Laser

04.2013

Variation der Verstärkerspannung 0,7

U=710 V 4 = 1,79 · 10 x 2,96 · 10 den x +DCDA-Kristall 0,19 R2 =(deuteriertes 0,9997 Bringen Siey1bei ausgeschaltetem Laser Cäsium0,6 dihydrogen-arsenat) in den Strahlengang. Sie dann die Heizung des KrisU=650Schalten V 7 2 talls ein undy2warten dass die4 x Solltemperatur 85°C erreicht wird. = 1,35Sie · 10darauf, x 2,6 · 10 + 0,19 R2 von = 0,9974 4.) Frequenzverdopplung

Pulsenergie E / mJ

7 2

Kurz vorher (bei 80°C) schalten Sie den Laser ein und beobachten den Laserpuls auf 0,5 weißen Schirm. Wenn die Temperatur für das "Phase Matching" erreicht ist, einem können Sie einen grünen Fleck auf dem Schirm erkennen: das frequenzverdoppelte IR-Licht ( /2 = 532 nm).

0,4

Messen Sie die Pulsform des grünen Laserpulses mit einer kleinflächigen Photodiode, die am Speicheroszilloskop mit ca. 1 k abgeschlossen ist. Da jedoch neben dem 0,3 grünen Licht vor allem sehr viel infrarotes Licht im Laserstrahl enthalten ist, müssen Sie dieses quantitativ abtrennen. Dazu dient ein dielektrischer Strahlteiler, der IR-Licht zur Seite reflektiert, während er grünes Licht durchlässt. Diesen setzen Sie 0,2 hinter den Verdopplerkristall, wobei Sie die Einbaurichtung (Pfeil) beachten müssen. Noch verbliebenes IR-Licht blocken Sie mit einem grünen Farbglasfilter und einem Hg-Interferenzfilter (546 nm) ab, das Sie seitlich verkippt in den Strahlengang setzen, wodurch sich die Transmissionswellenlänge zu kleineren Werten (532 nm) 0,1 hin verschiebt.

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

Trotz aller dieser Maßnahmen ist die Intensität des grünen Laserpulses immer noch Verstärkerspannung U / V müssen, den Sie vor zu groß, so dass Sie einen Abschwächer (ND-Filter) benutzen der Photodiode in den Strahlengang bringen. Der Strahl ist hinreichend abgeschwächt, wenn das Signal der Photodiode auf dem Speicheroszilloskop mit 2 mV/div etwa bildschirmfüllend dargestellt werden kann.

8 Justieren des Frequenzverdopplung

Abbildung 5: Aufbau zur Frequenzverdopplung

Abb. 2: Nachweis des frequenzverdoppelten Laserpulses.

2400

8

Protokoll Versuch Nd:YAG

Im letzten Versuchsteil wird nachgewiesen, dass das IR-Licht frequenzverdoppelt werden kann. Wie in Abbildung 5 zu sehen, werden neben dem Kristall außerdem verschiedene Filter verwendet, um das grüne Licht mit der Fotodiode und dem angeschlossenen Oszilloskop alleine darstellen zu können. Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein Farbglasfilter jedoch nicht unbedingt benötigt wird. Die Justage des Quecksilber-Filters gestaltet sich als schwierig, da im Gegensatz zur Oszillatorjustage mit den Spiegeln die Intensität von Puls zu Puls stark schwankt. Das Ergebnis ist dargestellt in Abbildung 6. Es zeigt sich ein Impuls erneut ähnlich einer e-Funktion, jedoch mit einer weit geringeren Dauer von nur ca. einem Kästchen, also 1 µs.

Abbildung 6: Laserimpuls nach Frequenzverdopplung