Nd-YAG Laser

Matthias Lütgens und Christoph Mahnke

2. November 2005

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Grundlagen 22.1 Das Grundprinzip eines Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Der Nd-YAG Festkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2.1 Prinzip des Nd-YAG Festkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2.2 Güteschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2.3 Frequenzvervielfachung und - mischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Versuchsdurchführung 53.1 Versuche zur Frequenzverdopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1.1 Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.1.2 Winkelabhängigkeit der Frequenzverdopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1.3 Ezienz des Verdopplungsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.1.4 Intensitätsverhältnisse der zweiten zur ersten Harmonischen . . . . . . . . . . . . . . . 93.1.5 Pulslängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Ergebnisse und Auswertung 104.1 Winkelabhängigkeit der Intensität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Ezienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.3 Intensitätsverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.4 Pulslängenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1 Einleitung

Der erste Laser (Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation) wurde 1960 von Ted Maimanin New York vorgestellt. Er baute aus dem Edelstein Rubin eine Lampe von der ein roter gebündelterLichtstrahl ausging. Dabei nutzte er ein schon von Einstein vorhergesagtes Prinzip. Durch eine Blitzlamperegte er die Rubinmoleküle an zu schwingen. Diese sich in einem hohen Energieniveau bendlichen Moleküle

1

sind jedoch bestrebt sich wieder abzuregen unter Aussendung eines Photons. Maiman schate es viele dieserTeilchen anzuregen und so einen Laserstrahl zu erzeugen.Im Laufe der Zeit sind eine ganze Reihe weiterer Lasertypen entwickelt worden. Dabei ist eine Möglichkeitder Unterscheidung durch die Wahl der aktiven Medien gegeben. Heutzutage sind unter anderen Gaslaser(z.B. He-Ne Laser), Halbleiterlaser, Freie Elektronen Laser, Festkörperlaser und Farbstoaser gebräuchlich.Dank seiner typischen Eigenschaften besitzen Laser heute für wissenschaftliche und technische Messungensowie Forschung, für die Informationstechnologie, Materialbearbeitung und die Medizin groÿe Bedeutung.In diesem Praktikum werden nun Erscheinungen und Arbeitsweisen eines Festkörperlasers und eines Farb-stoasers näher untersucht.

2 Grundlagen

2.1 Das Grundprinzip eines Lasers

Ein Elektron kann durch Zugabe diskreter Energien angeregt werden. Diesen Vorgang nennt man Absorp-tion. Bei dem umgekehrten Vorgang, der Emission, gibt das angeregte Elektron diese Energie in Form vonelektromagnetischer Strahlung wieder ab. In herkömmlichen Lichtquellen dominiert die sogenannte sponta-ne Emission. Nach einer endlichen, oftmals sehr kurzen Lebensdauer kehrt das Elektron wieder in seinenGrundzustand zurück.In einem Laser erfolgt dieser Übergang durch stimulierte Emission. Ein Photon trit dabei auf ein bereitsangeregtes Elektron. Entspricht die Energie des Photon genau der Energie eines möglichen Übergangs desangeregten Atoms in einen tieferen Zustand, so wird ein zweites Photon gleicher Energie, Phase, Polarisationund Ausbreitungsrichtung ausgesandt.Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron durch Absorption in einen höheren Zustand gelangt ist gleich derWahrscheinlichkeit der stimulierten Emission. Um einen verstärkenden Prozess zu erreichen, ist es jedoch er-forderlich, dass sich mehr Elektronen in angeregten Zuständen benden als in niedrigen. Die Besetzungswahr-scheinlichkeit ist für höhere Niveaus allerdings viel geringer als für tiefere, so dass eine Besetzungsinversionvorgenommen werden muss.Diese Besetzungsinversion leistet ein Laser durch sogenanntes optisches Pumpen. Dabei werden Atome desaktiven Mediums durch Absorption einer intensiven Hilfsstrahlung auf höherer Energieniveaus gepumpt.Diese Niveaus (Zwischenniveaus) besitzen eine kurze Lebensdauer und liegen noch oberhalb der metastabi-len Zustände, deren Besetzung für die stimulierte Emission von Nöten ist. Durch spontane Emission oderstrahlungslose Übergänge sammeln sich Elektronen in den metastabilen Zustand. Nach einer etwas längerenVerweildauer gelangen dann die Elektronen durch stimulierte Emission wieder in den Grundzustand.

Abbildung 1: Die Funktionsweise eines Lasers

2

Dieser ungerichtete Eekt erzeugt allerdings noch keinen intensiven, gerichteten Lichtstrahl. Die Anordnungmuss erweitert werden durch zwei Spiegel, wovon einer möglichst total reektierend ist und ein zweiter einegewisse Transmission zulässt. Durch Anordnen dieser Spiegel auÿerhalb meines aktiven Mediums erreicht mandurch eine gerichtete induzierte Laseremission (Abb. 1). Der erzeugte Lichtstrahl hat besondere Eigenschaften,die Kohärenz, geringe Divergenz und hohe Intensität.

2.2 Der Nd-YAG Festkörperlaser

In dieser Experimentieranordnung verwenden wird als optische Pumpe für den Farbstoaser einen sogenann-ten ND-YAG Laser (Continuum - Minilite, Datenblatt siehe Anhang). In diesen Kapitel wird dieser nähererläutert.

2.2.1 Prinzip des Nd-YAG Festkörperlaser

Den schematische Aufbau des verwendeten gepulsten Nd-YAG Lasers zeigt Abb. 2. Das aktive Mediumbildet ein mit Nd3+(Neodym) dotierter YAG-Kristall (Yttriu−Aluminium−Granat−Y3Al5O12). Der Lasergehört zu den Vier-Niveau Lasersystemen. Dabei ndet der wichtigste Laserübergang im Nd3+ − Ion mit einerWellenläng von 1064,1 nm zwischen den 4F3/2 und den 4I11/2 Niveaus statt (siehe Termschema Abb. 2). DieAnregung erfolgt durch eine regelbare Blitzlampe in breite Energiebänder oberhalb des Laserniveaus. Durchstrahlungslose Übergänge erfolgt die Abregung ins Laserniveau, wobei die freiwerdende Energie in Form vonWärme an den gut wärmeleitenden YAG-Kristall abgegeben wird.

Abbildung 2: schematischer Aufbau und Termschema Nd-YAG Laser

2.2.2 Güteschaltung

Eine Güteschaltung wird verwendet, um mit einem Festkörperlaser Lichtimpulse hoher Qualität (=Güte,d.h. kurze und intensive Pulse) zu erzeugen. Pumpt man den Laser mit einer Blitzlichtlampe, so liefert dieserelativ lange (zeitlich) Lichtpulse. Die Energie reicht so zwar für zahlreiche Anregungen, allerdings wirddie Laserschwelle schnell erreicht. Dann beginnt im Resonator die bekannte Laseraktivität, und die bisherangesammelten angeregten Zustände werden schlagartig entvölkert. Dieser Prozess geht so schnell vonstatten,dass während eines Blitzes der Lampe mehrmals Erzeugung und Abbau von Besetzungsinversionen wiederholtwerden. Resultat sind viele, allerdings unkontrollierte Laserpulse vergleichsweise geringer Intensität.

3

Man möchte nun erreichen, dass die gesamte Energie des Pulses der Blitzlichtlampe akkumuliert wird undsie dann in einen kurzen, intensiven Puls umzuwandeln. Dies ist gleichbedeutet damit, eine sehr groÿe Beset-zungsinversion (die weit gröÿer als die Laserschwelle ist) zu erzeugen, und erst zu einem bestimmten Zeitpunkt(etwa wenn der Blitzlichtpuls fast zuende ist) Lasertätigkeit zuzulassen.Technisch löst man dies dadurch, dass man eine sogenannte Pockelszelle (PZ) in den Resonator einbringt. DiePZ besteht aus einem Kristall, der die Polarisationsrichtung des ihn durchscheinenden Lichtes um einen be-stimmten Winkel (z.B. 45,90) ändert, wenn eine elektrische Spannung anliegt. Bringt man die PZ zwischen2 gekreuzte Polarisatoren, so hat man einen optischen Schalter. Liegt keine Spannung an der Zelle an, sowird die Polarisation des Lichtes nicht gedreht, und die gekreuzten Polarisatoren verhindern den Durchgang.Liegt Spannung an, so dreht die PZ die Polarisationsebene des Lichtes, und es kann durch die AnordnungPollter-Zelle-Pollter gelangen.Damit eignet sich eine solche Anordnung zur Kontrolle der Resonatorfunktion. Man läÿt die PZ zunächstspannungsfrei, während der Puls der Blitzlampe Besetzungsinversion erzeugt. Es kann vorerst keine La-sertätigkeit einsetzen, die Besetzungsinversion wird bis auf Verluste durch (verstärkte) spontane Emissionaufgebaut Diese Verluste sind unvermeidbar, aber relativ gering. Wenn die Besetzungsinversion maximal ist(gegen Ende des Blitzes) legt man Spannung an die PZ und erzeugt somit einen funktionsfähigen Resonator.So kann Lasertätigkeit einsetzen (induzierte Emissionen, Resonanz) und es wird ein kurzer, sehr intensiverund vor allem zeitlich kontrollierbarer Lichtimpuls erzeugt.Bei gepulsten Lasersystemen sind im Übrigen gar keine allzuhohen Reektivitäten der Resonatorspiegel er-forderlich, da die Photonen wegen der Kürze des Pulses sowieso nicht allzulange im Resonator bleiben (~10Umläufe).

2.2.3 Frequenzvervielfachung und - mischung

Der Nd-YAG Laser liefert in der Regel Licht im infraroten Bereich (hier 1064 nm). Diese Wellenlänge reichtjedoch nicht aus, um den Farbstoaser zu betreiben. Deshalb ist es notwendig Licht kleinerer Wellenlängezu generieren. Dieses kann unter Ausnutzung nichtlinearer optischer Eekte geschehen, bei denen höhereHarmonische erzeugt werden. Das Licht wird dazu in einen nichtlinearen doppelbrechenden Kristall (hierBBO - Bariumborat) eingekoppelt. Das ozillierende elektrische Feld des einfallenden Lichtstrahles regt dieElektronen im Kristall zu Schwingungen mit der Grundfrequenz des Lichtes an. Da die Elektronen jedoch nichtstreng harmonisch gebunden sind (kleine Potentialstörung) strahlen sie anschlieÿend neben der Grundfrequenzdes Lichtes auch höhere Harmonische ab.Um den Eekt zu verstehen ist es nötig, die Polarisation des Mediums als Folge des oszillierenden ~E- Feldeszu betrachten. Handelt es sich um ein sehr starkes äuÿeres Feld, treten neben den dominierenden linearenTerm auch Abhängigkeiten höherer Ordnung auf:

~P = ε0(χ(1) ~E + χ(2) ~E2 + ...)

Einsetzen einer Welle der Form ~E = ~E1 cos(ω1t) + ~E2 cos(ω2t) liefert:

P (2) =12ε0χ

(2)[(E21 + E2

2) + E21 cos(2ω1t) + E2

2 cos(2ω2t) + 2E1E2 cos(ω1 + ω2)t + 2E1E2 cos(ω1 − ω2)t]

Man erhält einen konstanten, frequenzunabhängigen Anteil, einen Anteil 2ω1 und 2ω2 (Frequenzverdopplung)deren Amplituden proportional zum Quadrat der Feldstärken sind und Terme mit ω = ω1 ± ω2 (Frequenz-mischung). Für die Intensitäten (proportional zur Schwingsamplitude) gilt:

I(2ω) ∝ I2(ω) und I(ω1 ± ω2) ∝ I(ω1)I(ω2)

Während dieses Phänomen der Energieerhaltung zuzurechnen ist, muss weiterhin auch die Impulserhaltunggelten. Die erzeugte Grundwelle läuft mit der Phasengeschwingigkeit

vPh = ω/k = c0/n(ω)

4

durch das Medium. Die von den verschiedenen Atomen ausgehenden Wellen können sich jedoch nur dannkonstruktiv addieren, wenn sie in Phase sind, dass heiÿt wenn die Grundwelle dieselbe Phasengeschwindig-keit hat wie die erzeugte Oberwelle. Es muss eine Phasenanpassung erfolgen. Dieses kann durch Drehen desanisotropen Kristalles erreicht werden. Die Brechindizes ni des ordentlichen (senkrecht zur Hauptebene po-larisiert) Strahles und des auÿerordentlichen (parallel polarisiert) Strahles sind auÿer von der Frequenz auchvon den Einfallswinkel abhängig (Vergleich Bsp Abb. 3).

Abbildung 3: Illustration zur Phasenanpassung

Es gibt nun einen bestimmten Winkel φ bei dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Anteils des Strah-les mit der Frequenz 2ω gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit des anderen Anteiles des Strahles mit derFrequenz ω ist. Für diese Anteile gilt die Phasenanpassung und damit die konstruktive Überlagerung.

3 Versuchsdurchführung

Der Versuch zur Thematik Farbstoaser lässt sich in mehrere Bereiche gliedern. Im ersten Teil des Experi-ments soll der Prozess der Frequenzverdopplung näher untersucht werden. Im nächsten Abschnitt wird dielaserinduzierte Fluoreszenz des Farbstoes Rhodamin 6G betrachtet und erst am Ende wird das Licht desFarbstoasers experimentell untersucht. Wegen technischer Schwierigkeiten konnte in diesem Versuch nurder erste Teil untersucht werden.

3.1 Versuche zur Frequenzverdopplung

Zu beachten ist im Verlauf des Experimentes, dass der aufgebaute Nd-YAG Laser als Output ein Lichtstrahlder Wellenlänge λ = 532 nm liefert. Das bedeutet, dass bereits eine Frequenzverdopplung stattgefunden hat(Abb. 2). Damit ist Ausgangspunkt der Messungen die zweite Harmonische (SHG) und bei der weiterenanstehenden Frequenzverdopplung entsteht die vierte Harmonische (FHG).

3.1.1 Geräte

• Nd-YAG Laser λ = 532 nm

• BBO - Kristall

• Oszillograph mit einen Abschluÿwiderstand von 50 Ω

• Filter UG5

5

• pyroelektrischer Detektor (Empndlichkeit laut Hersteller: 80 J/V)

• Photodiode

• Glasplättchen

Der Nd-YAG Laser liefert einen Triggerpuls, der als Startpuls in das Oszilloskop eingekoppelt wird. AlsAbschluÿwiderstand werden 50 Ω benutzt.

3.1.2 Winkelabhängigkeit der Frequenzverdopplung

Wie in der Vorbetrachtung ausführlich dargelegt, hängt die Intensität der durch Frequenzverdopplung ineinen Kristall erzeugten Welle von dem Winkel zum Kristall ab. Diese Abhängigkeit der Pulsenergie derFHG soll nun untersucht werden. Den Aufbau hierzu zeigt schematische Abbildung 4.

Abbildung 4:

Der Nd-YAG strahlt mit λ = 532 nm(grünes Licht) auf einen BBO (Bariumborat) doppelbrechenden anisotro-pen Kristall. Der Einfallswinkel des Strahles läÿt sich durch eine Mikrometerschraube an der Haltevorichtungdes Kristalls verändern. Hinter dem BBO - Kristall ist ein Filter (UG5) gebracht, welcher den grünen Anteildes Lichtes herausltert. Als Detektor wird ein Photodiode genutzt, die jedoch so empndlich war, dass nurein Reex gemessen werden konnte.

6

Abbildung 5: Berechnung des Winkels

Zu Beginn erfolgte die Kalibrierung der Mikrometerschraube in dem ein Reex des grünen Lichtes am La-sergehäuse gemessen wurde. Nach betätigen der Mikrometerschraube änderte sich der Reektionswinkel, sodass über einfache Beziehungen (Abb.5) die Kalibrierung erfolgen konnte.

Abstand zumGehäuse d1/cm

Abstand derReexe d2/cm Teilstriche Winkel φ/

φ = arctan d2d1

Kalibrierungsfaktork in /TS

16,6 2,75 124 9,41 0,076

Tabelle 1: Kalibrierung der Mikrometerschraube

Für den Fehler der Kalibrierung sind die systematischen Fehler der Längenmessung zu vernachlässigen, dader gröÿte Fehler von den aufbaubedingten Schwierigkeiten herrührte, die Messung durchzuführen, zumaluns für die Messug von d1 nur ein groÿes Holzlineal zur Verfügungstand und die Abmasse des Lineals dieLängenmessung deutlich erschwerte. Der Abstand d2 wurde mit einer Schieblehre gemessen. Als Fehler setzenwir die gerade noch tollerierbare Grenze von jeweils 5% an. Der Fehler bei der Teilstrichablesung setzt sich vorallem aus der Schwierigkeit des Ablesens ohne Referenzmarkierung zusammen, so das auch hier systematischeFehler zuvernachlässigen sind. Den Fehler geben wir mit 2 Teilstrichen an. Damit ergibt sich der Gesamtfehleruk :

uk =∣∣∣ ∂k∂d1

∣∣∣ ud1 +∣∣∣ ∂k∂d2

∣∣∣ ud2 +∣∣ ∂k∂TS

∣∣ uTS = d2d21(1+d2

2/d21)TS

ud1 + 1d1(1+d2

2/d21)TS

ud2 + arctan(d2/d1)TS2 uTS oder relativ

uk

k=

d2

d21(1 + d2

2/d21) arctan(d2/d1)

ud1 +1

d1(1 + d22/d2

1) arctan(d2/d1)ud2 +

1TS

uTS

= 8, 57 · 10−4 + 8, 57 · 10−4 + 0, 01613 = 0, 0178 = 1, 8%

Um nun die Winkelabhängigkeit zu bestimmen wählen wir als Referenzpunkt die Stellung der Mikrometer-schraube in der der Laserstrahl in sich selbst reektiert wird. Hierzu notieren wir die Mikrometerschrauben-stellung einmal wenn der Reex an der linken und an der rechnten Seite der Önung am Gehäuse zu sehenist und mitteln dann, wobei sich der Referenzpunkt bei einer Stellung von 7,5 ergibt. Dieses Wert wird alsdie Nulllage deniert und alle weiteren Ablesungen erfolgen im Bezug auf diesen Wert. Die Abhängigkeit derIntensität (∝ U) vom Winkel wird aufgenommen:

7

Nr. TS im Bezug auf Nulllage Drehwinkel α/ U /mV1 149,5 11,36 1,42 153,5 11,67 1,53 157,5 11,97 1,54 159,5 12,12 1,65 161,5 12,27 1,96 162,5 12,35 3,17 163,5 12,43 6,88 164,5 12,50 5,49 165,5 12,58 2,110 167,5 12,73 1,611 169,5 12,88 1,512 173,5 13,19 1,5

Tabelle 2: Winkelabhängigkeit

Es ist deutlich ein Maximum bei 12,43 zu erkennen. Um die Intensität des Lichtes (λ = 266nm) in Abhän-gigkeit von der Spannung zu bestimmen, wird dieser Winkel eingestellt bleiben.

3.1.3 Ezienz des Verdopplungsprozessen

Laut Datenblatt besitzt der Lichtpuls λ = 532 nm eine Energie von 25 mJ. Bei einer angegebenen Pulsdauer(Bestwert) von 5·10−9s ergibt das eine Leistung von 10, 0MW. Ähnliche Angaben gibt es zu den Wellenlängenλ = 355 nm und λ = 266 nm (siehe Datenblatt). Aus den Daten ergiben sich die Verhältnisse

Eλ=532nm

Eλ=1064nm=

Eλ=266nm

Eλ=532nm= 0, 16 = 16%.

Damit ergibt sich laut Herstellerangaben eine Ezienz von 16% bei der Frequenzverdopplung.Unter der Berücksichtigung der Beziehung

E = n~ω

und den Herstellerangaben ergeben sich pro Puls folgende Anzahl von Photonen, wobei altersbedingt eine75%ige Leistung angenommen wird.

λ/nm E (Hersteller) / mJ Anzahl der Photonen (idealen Laser) Anzahl Photonen (75%ige Leistung)532 25 6, 70 · 1016 5, 0 · 1016

355 8 1, 43 · 1016 1, 1 · 1016

266 4 5, 36 · 1015 4, 0 · 1016

Tabelle 3: Anzahl der Photonen

Für die Berechnung der Pulsintensität schätzen wir den Durchmesser der Laserstrahlen mit 2mm ab. Damitergeben sich aus den Herstellerangaben folgende Werte:

λ = 532 nm λ = 355 nm λ = 266 nmIntensität pro Puls / MW 8,3 2,7 1,3

Intensität (75%ige Leistung) /MW 6,2 2,0 1,0Pulsintensität MW/cm2 197,4 63,7 31,8

Tabelle 4: Pulsintensitäten

8

3.1.4 Intensitätsverhältnisse der zweiten zur ersten Harmonischen

Um das Intensitätverhältnis von erster zur zweiten Harmonischen zu bestimmen wird nun die Pulsernergiedurch ein externes Spannungsgerät variiert. Es gilt nun in Abhängigkeit der externen Spannung die In-tensitäten zu bestimmen. Die Intensität der FHG wurde mit der Photodiode über einen Reex gemessen.Unter Verwendung des pyroelektrischen Detektors kann die Intensität des grünen Lichtes nur bei geringenIntensitäten direkt gemessen werden. Deshalb wird ein Glasplättchen in den Strahlengang gebracht und derreektierte Anteil der Strahlung gemessen. Um einen Rückschluss auf den Grad der Reektion zu erhalten,wird bei geringer Pulsenergie auch der transmittierte Anteil gemessen.Vernachlässigt man Absorptionen der Strahlung am Glasplättchen so gilt:

R =Ir

I0, T =

It

I0, R + T = 1 und Ir + It = I0

Nachdem die Messwerte für die SHG und FHG aufgenommen wurden, wurde der Laser umgebaut, so dassdie THG durch Freuqenzmischung generiert wurde. Es erfolgte erneut die Intensitätsaufnahme mit der Pho-todiode. Folgende Werte hat die Messung ergeben:

externe Spannung λ = 532 nm λ = 355 nm λ = 266 nmU in V Urefl in mV Utrans in mV U in mV U in mV609 2,16 9,4 162 1,0614 4,96 21,8 249 2,7621 9,64 43,2 308 6,9630 12,9 322 8,9636 13,9 330643 14,7 332 10,8650 15,7 336 11,4657 16,5 340 11,9663 17,2 344 12,1670 17,5 346 12,5

Tabelle 5: Messungen zur Bestimmung des Intensitätsverhältnisses

Den Reektivitionsgrad und den Transmissiongrad lässt einfach berechnen:

R =1

1 + It/Irund T =

11 + Ir/It

U in V R T609 0,1869 0,8131614 0,1854 0,8146621 0,1824 0,8176

Mittel 0,1849 0,8151Sx 1, 32 · 10−3 1, 32 · 10−3

Tabelle 6: Reektions- und Transmissionsgrad

Damit kann nun aus dem reektrierten Anteil der Gesamtanteil berechnet werden. Trotzdem kann nichtdie Gesamtintensität angegeben werden, da die Empndlichkeit des Detektors nicht bekannt ist. Auch einVergleich mit den Ergebnissen der Messungen des Lichtes der anderen Wellenlängen kann nur qualitatvdurchgeführt werden, da die konstanten Umrechnungsfaktoren nicht bekannt sind.

9

externe Spannung U /V Uλ=532nm = Urefl./R in mV609 11,68614 26,83621 52,14630 69,78636 75,18643 79,50650 84,91657 89,23663 93,02670 94,65

Tabelle 7: Behandlung der Daten

3.1.5 Pulslängen

Als letztes erfolgte die Pulslängenmessung mit der Photodiode. Dabei wurde die Apperatur so eingerichtet,das auf dem Oszilloskop ein Puls von ca. 10mV zusehen war. Bei gröÿeren Energien stellte das Oszilloskopden Puls sehr unsymmetrisch dar. Der Grund ist in der Elektronik zu suchen. Die Pulslänge wurde bestimmtin dem die Breite bei der Hälfte der Höhe des Pulse ausgemessen wurde. Es ergaben sich die Messwerte:

λ = 532 nm λ = 355 nm λ = 266 nmPulslänge tλ/ns 7,2 7,0 6,6

Tabelle 8: Pulslänge

4 Ergebnisse und Auswertung

4.1 Winkelabhängigkeit der Intensität

Die Abhängigkeit der Intensität vom Einfallswinkel auf den BBO-Kristall zeigt deutlich das folgende Dia-gramm.

10

Abbildung 6: Winkelabhängigkeit

Es ist ein scharfes Maximum zuerkennen. Schon leichte Variation um nur ein Zehntel Grad führt zu einerschlechten Intensität.

4.2 Ezienz

Für die Ezienz bei der Frequenzverdopplung konnten nur mit Hilfe von Herstellerangaben Werte berechnetwerden. Es ergab sich ein Wert von 16% aus dem Quozienten von eingestrahlter zu ausgestrahlter Energie.Weiterhin konnten aus den gleichen Daten die Anzahl der Photonen berechnet werden, die in Gröÿenordnun-gen von 1015...1016 errechnet wurden. Die Pulsernergien wurden ebenfalls berrechnet, so dass sich zusam-menfassend folgende Werte ergeben:

λ = 532 nm λ = 355 nm λ = 266 nmAnzahl Photonen n 5, 0 · 1016 1, 1 · 1016 4, 0 · 1016

Pulsenergie MW/cm2 197,4 63,7 31,8

Bei all diesen Berechnungen wurde angenommen, dass der Laser 75% seiner vom Hersteller angegebenenLeistung erbringt. Da wir leider keine Vergleichsmessungen durchführen konnten, kann keine Einschätzungder errechneten Werte gegeben werden.

11

4.3 Intensitätsverhältnisse

Abbildung 7: gemessene Detektorspannung für λ = 532 nmin Abhängigkeit zur Blitzlichtspannung

Das obenstehende Diagramm zeigt die Laseraktivität (Intensität) in Abhängigkeit von der Pumpspannung.Es wurde beobachtet, dass Laserpulse erst bei ca. 605 V zustande kamen. Anfangs gab es Aussetzer (feh-lende Pulse). Dies erklärt den raschen anfänglichen Anstieg, da sich der Laser mit zunehmender Spannungstabilisierte. Ab ca. 630 V zeigt das Diagramm einen linearen Verlauf (I ∝ U). Bei sehr hohen Spannung (ab660V) wird der Anstieg kleiner, was mit Sättigungseekten zu erklären ist (ännähernd alle Elektronen sindangeregt).Das folgende Diagramm stellt das Intensitätsverhältnis der FHG zur SHG in Abhängigkeit von der SHG da.

12

Abbildung 8: Intensitätsverhältnis FHG/SHG in Abhängigkeit zur SHG

Dieses Diagramm ist nicht aussagekräftig. Es konnten keine Absolutenintensitäten gemessen werden (Gerä-tedefekt) sondern nur Reektionen. Wir sehen uns auÿerstande Abhängigkeiten zuerkennen.

4.4 Pulslängenmessung

Die Pulslängen konnten erfolgreich mit Hilfe des Oszillographen bestimmt werden.

λ = 532 nm λ = 355 nm λ = 266 nmPulslänge tHersteller/ns 3-5 3-5 3-5Pulslänge tgemessen/ns 7,2 7,0 6,6

Tabelle 9: Vergleich mit Herstellerdaten

Ein Vergleich mit den Herstellerdaten ergibt, dass die gemessenen Pulse jeweils zu lang sind. Die Gröÿenord-nung stimmt jedoch überein. Ein Grund für die Abweichung könnte im Alter des Lasers liegen.

13