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Versuch EL-V5: Charakterisierung von

Laserdioden

Inhaltsverzeichnis

1 Hinweise zum Arbeiten mit Lasern 2

1.1 Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Hinweise zum verwendeten Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Einleitung 3

3 Grundlagen der Halbleiterlaser 3

3.1 Der Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2 Die LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.3 Die Laserdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.4 Das Strahlpro�l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4 Versuchsdurchführung 8

4.1 Stromspannungskennlinie von LED bzw. Laserdiode . . . . . . . . . . . . . . 84.2 Stromlichtleistungskennlinie von LED bzw. Laserdiode . . . . . . . . . . . . 84.3 Spektrum von LED bzw. Laserdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.4 Strahlpro�l der Laserdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.5 M2-Wert der Laserdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5 Anhang - Funktionsweise der Messgeräte 11

5.1 Der Siliziumdetektor (aus [Mesc05]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.2 Das Digital-Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.3 Das Spektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.4 Die CMOS-Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.5 Der Beam-Expander (aus [Thön04]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

6 Aufgaben 13

Literaturverzeichnis 14

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1 Hinweise zum Arbeiten mit Lasern

1.1 Allgemeine Hinweise

Beim Arbeiten mit Lasern ist grundsätzlich äuÿerste Vorsicht geboten. Tri�t ein Laserstrahldie Netzhaut, entsteht sofort eine Verbrennung, welche zur Vernarbung der Netzhaut unddamit zur Blindheit führen kann. Deshalb: Schauen sie niemals direkt in einen Laserstrahl!In Laboren, in denen mit Lasern gearbeitet wird, ist es verboten re�ektierenden Schmuckwie Uhren, Ringe oder Ketten zu tragen, da diese ungewollt den Laser re�ektieren und sieso jemandem Schaden zufügen könnten. Des Weiteren sollte der Laserstrahl den Tisch nichtverlassen, um keine zusätzliche Gefahr für andere Personen im Labor darzustellen.

1.2 Hinweise zum verwendeten Laser

Die in diesem Praktikum verwendete Laserdiode emittiert Licht der Wellenlänge 650nm. Dasbedeutet, sie werden an den Stellen, an denen der Laser auf Gegenstände tri�t einen rotenPunkt sehen. Den Laserstrahl an sich können sie nicht sehen. Daher ist hier Vorsicht geboten.Begeben sie sich niemals auf Augenhöhe mit der Laserdiode, so lange diese eingeschaltet ist!Müssen sie dies zur besseren horizontalen Ausrichtung des Aufbaus tun, schalten sie vorherauf jeden Fall die Laserdiode aus!Die verwendete Laserdiode wird kommerziell zum Beispiel in DVD-Playern verwendet. Ihremaximale optische Ausgangsleistung beträgt 7mW. Bei solch hohen Leistungen müsstenzum Schutz der Augen Schutzbrillen getragen werden. Jedoch ist in diesem Versuch dieStrombegrenzung des Lasertreibers so eingestellt, dass die Ausgangsleistung der Laserdiode1mW nicht überschreiten kann. Es ist wichtig, dass sie niemals den Begrenzungsstromerhöhen, da sonst eine Gefahr für sie und andere besteht. Ist die optische Ausgangsleistungauf weniger als 1mW begrenzt, ist bei sichtbarem Laserlicht das tragen einer Schutzbrillenicht zwangsläu�g notwendig, da sie ihr Liedschlussre�ex vor Schaden bewahren sollte. Diesbedeutet aber nicht, dass bei längerem Blick in den Laser keine Gefahr für ihre Augenbesteht. Schauen sie deshalb niemals direkt in den Laserstrahl!

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2 Einleitung

Seit der Er�ndung des Halbleiterlasers im Jahre 1962 hat sich eine Vielzahl von Anwendun-gen für diese Technologie entwickelt, die in unserem Alltag ganz selbstverständlich Verwen-dung �nden: CD-Player, Laserdrucker, Glasfasertelekommunikation und Laserradarpistolensind nur einige Beispiele. Doch wie funktioniert so ein Halbleiterlaser überhaupt? Wozukann er verwendet werden und wozu nicht? Um Antworten auf diese Fragen zu erhalten,sollen in diesem Praktikumsversuch die grundlegenden Eigenschaften von Halbleiterlaserngenauer untersucht werden.

3 Grundlagen der Halbleiterlaser

3.1 Der Laser

Um die Wirkungsweise des Halbleiterlasers verstehen zu können, wird hier zunächst dasallgemeine Grundprinzip des Lasers näher erläutert. Im Laser wird das Licht durch soge-nannte stimulierte Emission erzeugt (LASER: Light Ampli�cation by Stimulated Emissionof Radiation). Die Wechselwirkungen von Atomen und Licht wurden von Albert Einstein indrei Fälle eingeteilt (vgl. Abb.1): Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission.

Bild 1: Wechselwirkungen von Licht und Atomen aus [G. S05]

Bei der Absorption wird ein Photon absorbiert. Die Energie des Photons veranlasst dabeiden Übergang eines Elektrons in einen höheres Energieniveau (Abb.1(a)). Bei der spontanenEmission verlässt ein Elektron ein höheres Energieniveau und die dabei frei werdende Energiewird in Form eines Photons mit der Energie Eph = h · f abgestrahlt (Abb.1(b)). ImFall der stimulierten Emission (Abb.1(c)) wird ein Elektron durch ein einfallendes Photondazu veranlasst, in einen niedrigeren Energiezustand zu wechseln und dabei ein weiteresPhoton zu emittieren. Dieses zweite Photon ist mit dem eingestrahlten Photon absolutidentisch, man beschreibt beide Photonen als zur selben Mode zugehörig. Da man diebeiden Photonen messtechnisch nicht von einander unterscheiden kann, besitzt das durchstimulierte Emission erzeugte Licht ganz besondere Eigenschaften, die man unter demBegri� "`Kohärenz"' zusammenfassen kann. Die Kohärenz-Eigenschaft unterscheidet denLaser von anderen Lichtquellen. Absorption, spontane Emission und stimulierte Emissiontreten in allen Lichtquellen auf. Der Laser ist allerdings eine spezielle Lichtquelle in der diestimulierte Emission gegenüber der spontanen Emission überwiegt. Ein Laser besteht stetsaus einem Lasermedium und einem Laserresonator. Das Lasermedium ist ein lichtverstär-kendes Medium, in dem durch äuÿere Zuführung von Energie, dem sogenannten Pumpen,

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eine Besetzungsinversion erzeugt werden kann. Eine Besetzungsinversion liegt dann vor,wenn sich mehr Elektronen im höheren Laserniveau be�nden als im niedrigeren. DieseBesetzungsinversion ist notwendig, um die Emissionsprozesse genüber der Absorption zubegünstigen. Der Laserresonator ist erforderlich, um die stimulierte Emission gegenüberder spontanen Emission zu begünstigen. Ein Laserresonator besteht stets aus zwei Spiegelnzwischen denen das Licht mehrere Umläufe absolviert ehe es ausgekoppelt wird. Der Abstanddieser beiden Resonatorspiegel bestimmt den Abstand der durch den Resonator begünstigtenFrequenzen im Spektrum. Nur für diese Frequenzen bilden sich im Resonator stehendeWellen aus, d.h. nur Licht dieser Frequenzen läuft fortwährend im Resonator hin und her.Füllt man nun den Resonator mit dem Lasermedium, so bedeutet dies, dass für bestimmteFrequenzen die zugehörigen Photonen immer wieder durch das Lasermedium geschicktwerden. Ein Photon, das auf das Lasermedium tri�t löst dort in dem hier vorgestelltenModell entweder Absorption oder stimulierte Emission aus. Wegen der Besetzungsinversionin erster Linie stimulierte Emission. Die dabei entstehenden zwei Photonen laufen ihrerseitsweiter im Resonator hin und her, da sie ja mit dem zuvor eingefallenen Photon völligidentisch sind und tragen somit zu weiteren stimulierten Emissionen bei. Auf diese Weisewird eine Art Kettenreaktion ausgelöst, die zur Folge hat, dass sich im Resonator haupt-sächlich stimuliert emittierte Photonen be�nden, man spricht hierbei von einer PhotonenUmverteilung zugunsten einer bestimmten Mode. Auf diese Weise erhält man also kohären-tes Licht, d.h. Licht das aus nicht voneinander unterscheidbaren Photonen besteht. DieseKohärenzeigenschaft hat zur Folge, dass Laserlicht theoretisch auf einen beliebig kleinenPunkt fokussiert werden könnte, da alle Photonen, die auf die Fokussierungslinse tre�enin gleicher Weise gebrochen werden. Aufgrund von Beugungse�ekten ist dies in der Praxisjedoch nicht möglich (Stichwort: Beugungsbegrenzung). Dennoch lassen sich Laser deutlichkleiner Fokussieren als andere Lichtquellen. Dies führt einerseits dazu, dass sich die optischeLeistungsdichte enorm erhöht, was beispielsweise bei der Materialbearbeitung mit Laserngenutzt wird, und erlaubt andererseits eine feinere optische Au�ösung, die zum Beispiel dieSpeicherdichte einer CD bestimmt. Bei dem in diesem Praktikumsversuch verwendeten Laserhandelt es sich um einen Halbleiterlaser, auch Laserdiode genannt. Das Lasermedium einesHalbleiterlasers ist ein p-n-Halbleiterübergang. Doch auch bei einer LED (Light emittingdiode) wird ein recht ähnlicher p-n-Halbleiterübergang zur Lichterzeugung verwendet. EineLED besitzt jedoch im Gegensatz zum Halbleiterlaser keinen Resonator und emittiert daherin erster Linie spontan. Die LED soll in diesem Praktikumsversuch als Modell für dasLasermedium und als vergleichbare inkohärente Lichtquelle dienen. Bei Halbleiterlasern wirddie Pumpenergie durch Anlegen eines elektrischen Stromes geliefert. Der Laserresonatorentsteht durch die verspiegelten Bruchkanten des Halbleitermaterials.

Auf den Aufbau von LED und Halbleiterlaser soll im Folgenden näher eingangen werden.

3.2 Die LED

Sowohl LEDs als auch Laserdioden bestehen aus Halbleitermaterialien und basieren auf demsog. pn-Übergang. Das bedeutet, dass durch Strominjektion Elektron-Loch-Paare gebildetwerden, die bei Rekombination Strahlung erzeugen. Bei einer LED wird der pn-Übergangin Durchlassrichtung (+ am p-Kristall, - am n-Kristall) betrieben (Abb.2). Die injiziertenElektron-Loch-Paare rekombinieren in der aktiven Zone (Sperrschicht bzw. Raumladungs-zone), wobei es je nach Halbleitermaterial zu unterschiedlichen Lumineszenzmechanismen

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kommt. Es gibt direkte und indirekte Halbleiter, die sich durch ihre Bandstruktur unter-scheiden. Beim direkten Halbleiter liegt das Leitungsbandminimum über dem Valenzband-maximum, wohingegen sie beim indirekten Halbleiter verschoben sind, wie in der folgendenAbbildung (Abb.3 und Abb.4)zu sehen ist.

Bild 2: LED-Injektionsprozess aus [Bhat97]

Bild 3: Bandstruktur eines direkten Halbleiters (Wikipedia)

Bild 4: Bandstruktur eines indirekten Halbleiters (Wikipedia)

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3.3 Die Laserdiode

Vereinfacht kann man einen Halbleiterlaser als LED mit Spiegeln beschreiben, wobei nochweitere Spezialisierungen zur praktischen Umsetzung von Laserdioden notwendig sind. Au-ÿerdem kann eine Laserdiode im Gegensatz zur LED nur mit direkten Halbleitermaterialienrealisiert werden, da in diesem Fall Rekombinationsprozesse wahrscheinlicher sind. Als Re-sonatorspiegel werden die Bruchkanten des Halbleitermaterials verwendet. Der Brechzahl-unterschied vom Halbleitermaterial zur Luft (nHL ≈ 3,5 und nLuft ≈ 1) liefert bereits eineRe�ektivität von ca. R1 = 30%. Um die Güte des Resonators zu erhöhen wird die Re�ekti-vität einer der beiden Spiegel zusätzlich mit einer speziellen Beschichtung auf ca. R2 = 98%erhöht. Man erhält auf diese Weise einen Spiegel an dem das Laserlicht ausgekoppelt wird(R1), die sogenannte Frontfacette, und eine hochverspiegelte Rückfacette (R2). Der Resona-tor sorgt dafür, dass das Licht rückgekoppelt wird und innerhalb der aktiven Zone (die alsverstärkendes Medium dient) hin- und herläuft. Dadurch wird Licht einer bestimmten Wel-lenlänge verstärkt und emittiert. Die Wellenlänge ergibt sich aus dem Abstand der beidenResonatorspiegeln (2nL = kλ). Von den daraus resultierenden möglichen Wellenlängen (sog.Moden) schwingt nur diejenige an, die am nächsten am Maximum der Verstärkungskurveliegt(Abb.5). Ohne den Resonator ergäbe sich ein breites Emissionsspektrum wie bei derLED. Die Voraussetzung um Verstärkung zu erzielen, ist eine ständige Energiezufuhr von

Bild 5: Prinzipieller Verlauf der Verstärkungskurve und der Resonatormoden eines Halbleiterlasers

auÿen, Pumpen genannt. Je nach Lasertyp existieren verschiedene Pumpvorgänge. BeimHalbleiterlaser wird in der Regel elektrisch gepumpt(Abb.6). Für die praktische Realisierungvon Halbleiterlasern muss dafür gesorgt werden, dass die optischen Verluste stark reduziertwerden, um auch bei Raumtemperatur Laserbetrieb zu erreichen und den Schwellstrom

Bild 6: Prinzipieller Aufbau einer Laserdiode aus [Reid05]

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Bild 7: Schichtaufbau einer GaAlAs-Doppel-Heterostruktur-Laserdiode

des Lasers zu verringern. Das wird durch eine Wellenführung realisiert, die anhand derfolgenden Abbildung (Abb.7) erläutert wird. Sie zeigt eine sogenannte Heterostruktur-Laserdiode, die aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken besteht.Durch die Brechzahlunterschiede der einzelnen Materialien sorgen für eine Wellenführung inder aktiven Zone. Die unterschiedlichen Bandlücken erzeugen Energiebarrieren, die zu einererhöhten Konzentration von Elektronen und Löchern in der aktiven Zone führen. Auÿerdemwird die aktive Zone durch die Ausdehnung des oberen Anschlusses zusätzlich in lateralerRichtung begrenzt (sog. Gainguiding).

3.4 Das Strahlpro�l

Ein wichtiges Qualitätsmerkmal einer Laserdiode stellt ihr Strahlpro�l dar. Idealerweisesollte ein Laser ein gauÿförmiges Strahlpro�l aufweisen. Das bedeutet, dass das Intensitäts-pro�l quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles gauÿförmig ist und der Lichtstrahleine endlichen Fokusdurchmesser besitzt(Abb.8). Der Strahldurchmesser im Abstand z vomFokus ergib sich aus: w(z)2 = w2

0[1 + ( λzπw2

0)2] wobei w0 den minimalen Strahlradius im

Fokuspunkt bezeichnet.

Bild 8: Seitenansicht eines Gauÿschen Strahls aus [G. S05]

Der Gauÿstrahl wird durch eine minimale Taillenbreite ω0 und einen DivergenzwinkelΘ charakterisiert. Bei allen optischen Transformationen gilt für diesen Gauÿstrahl stetsω0 ·Θ =const. Wie genau ein Laserstrahl dem idealen Gauÿstrahl entspricht kann mit Hilfedes sogenannten M2-Faktor bestimmt werden. Die Berechnungsformel lautet: M2 = ω0·Θπ

λ.

Ein Wert von "`1"' entspricht einem idealen Gauÿschen Strahl.

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4 Versuchsdurchführung

In den einzelnen Teilversuchen dieses Praktikums sollen die Unterschiede zwischen LEDund Laserdiode genauer untersucht werden. Dabei werden die elektrischen und die optischenEigenschaften sukzessive miteinander verglichen.

4.1 Stromspannungskennlinie von LED bzw. Laserdiode

Dieser erste Teilversuch vergleicht die rein elektrischen Eigenschaften (nämlich den di�eren-tiellen Widerstand) der beiden Bauelemente miteinander. Folgende Geräte werden für denVersuchsaufbau benötigt:

• Digital-Multimeter

• Laserstromquelle

• LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung

• Anschlusskabel

Bild 9: Aufbau zur Stromspannungskennlinienmessung

Bei diesem Versuch wird die über dem jeweiligen Bauteil abfallende Spannung in Abhän-gigkeit vom durch die Laserstromquelle vorgegebenen Strom mit Hilfe des Digital-Multimetersgemessen (siehe Abb.9). Durch Umpolung ist auch das Verhalten für negative Strömemessbar (Durchbruchspannung beachten!). Die Ergebnisse sollen in je einer U-I-Kennliniefestgehalten werden.

4.2 Stromlichtleistungskennlinie von LED bzw. Laserdiode

Nachdem im vorherigen Teilversuch die rein elektrischen Eigenschaften untersucht wurden,geht es nun in diesem Experiment darum, die emittierte Lichtleistung in Abhängigkeit vomStrom zu bestimmen. Die für den in Abb.10 dargestellten Aufbau benötigten Geräte könnender nachfolgenden Liste entnommen werden.

• Siliziumdetektor auf xyz-Verschiebetisch

• Digital-Multimeter

• Laserstromquelle

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Bild 10: Aufbau zur Stromlichtleistungsmessung

• LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung

• Kollimationslinse mit Halterung auf xyz-Verschiebetisch

Wie Abb.10 zeigt wird das Licht der LED bzw. der Laserdiode zunächst mit Hilfe derLinse kollimiert, d.h. der stark divergente Strahl der Quelle wird in ein quasi-parallelesLichtbündel umgeformt. Dieser kollimierte Strahl fällt dann auf einen Siliziumdetektormit nachgeschaltetem Verstärker, dessen Ausgangsspannung mit dem Digital-Multimeterausgelesen werden kann. Mit diesem Aufbau erhält man eine qualitative Stromlichtleis-tungskennlinie für das jeweilige Bauelement. Die xyz-Verschiebetische werden benötigt, umsowohl die Kollimationslinse als auch den Siliziumdetektor in allen drei Raumachsen optimalzu positionieren.

4.3 Spektrum von LED bzw. Laserdiode

In diesem Teilversuch sollen die Spektren der beiden Bauelemente mit einander verglichenwerden. Als Geräte für den Aufbau aus Abb.11 werden benötigt:

• USB-Spektrometer

• Faser mit Kollimationspacket und Halterung auf xyz-Verschiebetisch

• Laserstromquelle

• LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung

• Kollimationslinse mit Halterung auf xyz-Verschiebetisch

Bild 11: Aufbau zur Messung des Spektrums

Für die Messung des Spektrums wird ein USB-Spektrometer verwendet, dessen prinzi-pielle Wirkungsweise im Anhang näher erläutert wird. Da dieses Spektrometer nur einenFasereingang besitzt, wird eine Lichtleitfaser mit entsprechender Einkoppelungsoptik ver-wendet. Das gemessene Spektrum kann über USB im Rechner gespeichert und weiterverar-beitet werden.

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4.4 Strahlpro�l der Laserdiode

Die beiden nachfolgenden Teilexperimente beziehen sich nur noch auf die Laserdiode. Indiesem Teilversuch soll zunächst das Strahlpro�l der Laserdiode vermessen werden. Für denAufbau aus Abb.12 werden die folgenden Komponenten benötigt:

Bild 12: Aufbau zur Messung des Strahlpro�ls

• Siliziumdetektor auf xyz-Verschiebetisch

• Digital-Multimeter

• Laserstromquelle

• LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung

• Kollimationslinse mit Halterung auf xyz-Verschiebetisch

• 150µm-Blende

• Beam-Expander

Um den Intensitätsverlauf des Laserstrahles genauer vermessen zu können, wird derStrahl zunächst mit Hilfe des Beam-Expanders aufgeweitet. Vor den Siliziumdetektor wirdeine 150µm-Blende aufgeschraubt, um den Strahl damit in kleinen Schritten Punkt für Punktin einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung abzurastern. Das Abrastern geschiehtmanuell mit Hilfe des xyz-Tisches. Die mit dem Digital-Multimeter gemessenen Werteaufgetragen über die Position des Detektors ergeben dann ein qualitatives Intensitätspro�ldes Laserstrahles.

4.5 M 2-Wert der Laserdiode

Zuletzt soll noch die Strahlgüte des Laserdiodenlaserstrahls ermittelt werden. Dies geschiehtmit dem in Abb.13 gezeigten Aufbau zur M2-Messung, der aus folgenden Komponentenbesteht:

• CMOS-Kamera auf xyz-Verschiebetisch

• Laserstromquelle

• LED bzw. Laserdiode mit Sockel und Halterung

• Kollimationslinse mit Halterung auf xyz-Verschiebetisch

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Bild 13: Aufbau zur Messung des M2-Faktors

Zur Berechnung des M2-Faktors muss das Strahlpro�l der Laserdiode an mehrerenPositionen gemessen werden, insbesondere an der Stelle der minimalen Strahltaille. Dazuwird die Kamera an die jeweilige Position gestellt und mit dem Programm WinTV ein Bilddes Strahlquerschnitts erstellt. Aus den so gewonnenen Bildern kann dann die Divergenzund die minimale Strahltaille ermittelt werden, aus der sich dann der M2-Faktor ergibt.

5 Anhang - Funktionsweise der Messgeräte

5.1 Der Siliziumdetektor (aus [Mesc05])

Die Aufgabe von Detektoren besteht darin, optische Strahlung in elektrische Signale um-zuwandeln. Grundsätzlich gibt es eine Reihe von Detektoren mit unterschiedlichen Eigen-schaften Der in diesem Praktikum verwendete Detektor ist eine Halbleiter-Photodiode ausSilizium in pin-Bauweise. Das bedeutet, dass sich zwischen n- und p-dotiertem Materialeine intrinsische Schicht be�ndet. In der pin-Grenzschicht werden, durch Absorption deszu detektierenden Lichts, Elektronen-Loch-Paare gebildet, getrennt und zu den Kontaktentransportiert, wodurch ein Strom�uss hervorgerufen wird. Dieser Strom wird in einemVerstärker in eine verstärkte Spannung umgewandelt.

5.2 Das Digital-Multimeter

Das Digital-Multimeter wird zum messen unterschiedlicher elektrischer Gröÿen (Strom,Spannung, Widerstand) verwendet. Es wandelt die zu messenden analogen Werte in einemA/D-Wandler in digitale Werte und zeigt diese auf dem Display an.

5.3 Das Spektrometer

Zur Messung des emittierten Spektrums der verwendeten Lichtquelle wird ein Gitterspektro-meter verwendet. Bei der optischen Zelle des hier verwendeten USB-Spektrometer TRISTAN R©(s. Abb.14) handelt es sich um einen asymmetrischen Czerny-Turner Aufbau. Die zu mes-sende Strahlung wird über einen Faserstecker durch einen Spalt in die Zelle eingekoppelt.Der erste Spiegel dient lediglich zur Umlenkung des Strahls auf einen weiteren Spiegel. Erkollimiert den Strahl und re�ektiert ihn auf ein optisches Gitter. Hier wird das Spektrumdes Strahles in seine Bestandteile aufgespalten, re�ektiert und über einen Fokussierspiegelauf den optischen Sensor projiziert. Der Sensor nimmt die spektral zerlegte Strahlung auf

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und wandelt sie in ein analoges elektrisches Signal um. Je nach Spektralbereich werdenunterschiedliche Sensoren für die Detektion eingesetzt.

Bild 14: Aufbau des USB-Spektrometers aus [uLP96]

5.4 Die CMOS-Kamera

CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor und bezeichnet eigentlich nurein bestimmtes Herstellungsverfahren (die einzelnen Gatter sind komplementär aufgebaut).Ein CMOS-Sensor ist ein Halbleiterdetektor, der mit diesem Verfahren hergestellt wurde.Wie bereits bei den Detektoren beschrieben, erzeugen die absorbierten Photonen Elektronen-Loch-Paare die eine zur Intensität des Lichts proportionale Ladung bewirken. Sie wird inparallel geschalteten Kondensatoren gespeichert, bis sie durch eine Steuerelektronik abgeru-fen wird. Ein Bildsensor besteht aus einer Matrix von Pixeln, die einzeln ausgelesen werden.Um ein Farbbild zu erhalten, wird vor jeden Pixel ein roter, grüner oder blauer Filter gelegt.Die in diesem Praktikum verwendete CMOS- Kamera kann allerdings nur schwarz-weiÿBilder erzeugen. Die Aufnahmen der Kamera werden mit Hilfe einer Videokarte im Rechnergespeichert. Die Bedienober�äche der Videokartensoftware ist in Abb.15 zu sehen. Um einenSchnappschuss zu machen, klickt man auf die Schalt�äche mit dem Kamerasymbol und einStandbild vom aktuell sichtbaren Video wird gespeichert. Ein sogenannter "`Thumbnail"'(verkleinerte Vorschau) des Standbildes wird daraufhin in der Schnappschuss-Vorschauleisteangezeigt. Doppelklicken Sie auf den "`Thumbnail"', um es in der vollen Gröÿe zu sehen.Nun kann das Bild über das Menü "`Datei"' / "`Speichern unter..."' auf die Festplattegespeichert werden. Über den Button CFG kann die Schnappschuss-Funktion kon�guriertwerden.

5.5 Der Beam-Expander (aus [Thön04])

Beam Expander sind Strahlaufweitungssyteme, die aus zwei optischen Teilsystemen be-stehen (Eintritts- und Austrittsoptik). Sie sind so angeordnet, dass der bildseitige Brenn-punkt der Eintrittsoptik f ′ein mit dem objektseitigen Brennpunkt der Austrittsoptik fauszusammenfällt. Der Quotient des Austrittstrahldurchmessers Daus zum Durchmesser desunaufgeweiteten StrahlsDein vor dem Beam Expander wird als das Aufweitungsverhältnis mbezeichnet und lässt sich mit folgender Formel berechnen:m = −f ′

aus

f ′ein

(mit f ′ein als Brennwei-

te der Eintrittsoptik und f ′aus als Brennweite Austrittsoptik). Es gibt prinzipiell zwei Arten

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Bild 15: Die Bedienober�äche der Videokarte

der optischen Realisierung von Beam Expandern: die Galilei- und die Kepler-Anordnung(s. Abb.16). Die Galilei Kon�guration besteht aus einer Linse negativer Brennweite gefolgtvon einer Linse mit positiver Brennweite. Die Kepler-Anordnung besteht aus zwei positivenLinsen. In diesem Versuch wird ein Beam-Expander mit Galilei Kon�guration verwendet.Diese Kon�guration vermeidet einen Zwischenfokus, was vor allem bei der Verwendung vonHochleistungslasersystemen notwendig ist.

Bild 16: Die typischen Beam-Expander-Typen

6 Aufgaben

1. Was ist der Unterschied zwischen einer LED und einer Laserdiode?

2. Zeichnen Sie qulitativ wie ein gauÿscher Strahl durch eine bi-konvexe Linse verändertwird.

3. Wie ändert sich der M2-Faktor durch eine Strahlaufweitungsoptik?

4. Welches Aufweitungsverhältnis besitzt ein galileiischer Beam-Expander, der aus einerkonkaven Linse mit einer betragsmäÿigen Brennweite von 30 mm und einer konvexenLinse mit einer betragsmäÿigen Brennweite von 90 mm besteht?

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5. Was ist der Unterschied zwischen Strahlenoptik und gauÿscher Strahlenoptik?

6. Weshalb ist ein indirekter Halbleiter als Lasermaterial ungeeignet?

Literatur

[Bhat97] P. Bhattacharya: Semiconductor Optoelectronic Devices. Prentice Hall Verlag,1997.

[G. S05] G. R. G. Schi�ner: �Einführung in die grundlagen der lasertechnik�. Vorlesungs-skript, 2005.

[Mesc05] D. Meschede: Optik, Licht und Laser. Teubner Verlag, 2005.

[Reid05] G. A. Reider: Photonik: Eine Einführung in die Grundlage. Springer Verlag, Wien,New York, 2005.

[Rubi89] G. Rubin: The Essential Beam Expander. EDA digest, 1989.

[Thön04] T. Thöniÿ: �Laseraufweitungssysteme�. Linos optolines No.1, 1.Quartal 2004.

[uLP96] F. und L. Pedrotti: Optik: Eine Einführung. Prentice Hall Verlag, 1996.

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