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Fortgeschrittenen - Praktikum

Nd:YAG-Laser

Versuchsleiter: Frau OpreaAutor: Simon BerningGruppe: 10, Donnerstag

Daniel Bruns, Simon BerningVersuchsdatum: 25.01.2006

Nd:YAG-Laser; Gruppe 10 1

Inhaltsverzeichnis1 Theorie 2

1.1 Das Laser-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Der Nd:YAG-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1 Wirtskristall und aktives Medium . . . . . . . . . . . . . 31.2.2 Der Nd:YAG-Kristall im Resonator . . . . . . . . . . . . . 31.2.3 Das Termschema von Nd:YAG . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Experimentelles 42.1 Abstrahlcharakteristik der Pumpquelle . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Output der Laserdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Einbindung des YAG-Stabes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4 Messung des Transmissionsspektrums von Nd:YAG . . . . . . . . 72.5 Fluoreszenz vom Nd:YAG-Kristall . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.6 Lebensdauer des emittierten Zustands . . . . . . . . . . . . . . . 112.7 Der Laser im Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.8 Laser-Output als Funktion der Temperatur . . . . . . . . . . . . 122.9 Laser-Output als Funktion des Diodenstroms . . . . . . . . . . . 142.10 Laser-Output als Funktion des Diodenstroms mit dem Auskopp-

lungsspiegel R100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.11 Spiking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.12 Frequenzverdopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16


Abbildung 1: Prinzip eines 3-Niveau-Lasers

1 Theorie

1.1 Das Laser-PrinzipDer Übergang ziwschen zwei Niveaus eines bestimmten Stoffes bringt immereine bestimme Energiedifferenz ∆E mit sich, die genau einer Frequenz ν ent-spricht. Angenommen es ist nur der untere Zustand besetzt, so kann man miteinfallendem Licht, welches genau der Wellenlänge ν entspricht, die Elektronenanregen und ins höhere Niveau befördern. Man spricht hier von Absorption.Wenn die Besetzungszahlen beider Niveaus gleich sind, so kann jeweils mit 50%Wahrscheinlichkeit ein einfallendes Photon absorbiert werden, oder es kommtzu stimulierter Emission. Daher benötigt man ein drittes oder auch ein viertesNiveau um lasern zu können. Das Prinzip ist dann so:Man strahlt mit Licht, welches genau der Übergangswellenlänge vom unterstenzum obersten Niveau entspricht ein. Damit befördert man Elektronen aus demGrundniveau (N1) in das Oberniveau (N2). N2 sollte nun besonders kurzlebigsein, sodass heraufgepumpte Elektronen sofort wieder in einen energetisch nied-rigeren Zustand (N3) fallen (Relaxion). Dieser liegt aber immernoch oberhalbvon N1 und ist besonders langlebig. Somit erreicht man eine Besetzungsinversionund die meisten Elektronen befinden sich nach bestimmter Zeit im N3 Niveau.Wird nun noch Licht mit einer Frequenz eingestrahlt, die genau dem Übergangvon N3 nach N1 entspricht, so erhält man stimulierte Emission und die Elek-tronen fallen aus dem Niveau N3 wieder in das Niveau N1, wobei sie Licht dergleichen Frequenz wie das Einfallende in der selben Richtung aussenden. So wirdder Lichtstrahl verstärkt. Das Prinzip ist nochmal in Abbildung 1 dargestellt.In unserem Versuch handelt es sich alleridings um ein 4-Niveau System. DasPrinzip bleibt aber gleich, außer dass es zwischen dem Zusatnd N3 und N1 ausAbbildung 1 noch ein weiteres instabiles Niveau gibt auf das die Elektronen beider stimulierten Emission zurückfallen. Danach gehen sie durch Relaxion wiederin den Grundzustand über.


Abbildung 2: Semi-Sphärischer Resonator

1.2 Der Nd:YAG-Laser1.2.1 Wirtskristall und aktives Medium

In diesem Versuch arbeiten wir mit dem Nd:YAG-Laser. Der Wirtskristall istdabei Yttrium-Aluminium-Granat, der sogenannte YAG. Er ist farblos und seinAtomgitter bestizt eine kubische Struktur. Der YAG-Kristall hat einige schö-ne Eigenschaften. Sein Schmelzpunkt liegt bei 1940◦C, er ist äußerst hart undhat einen hohen Durchlassbereich von 0.12 bis 5.3 µm und er ist nicht doppel-brechend. Besonders diese letzte Eigenschaft, sein hoher Schmelzpunkt und dieisotrope Struktur machen ihn zu einem idealen Wirtskristall für die Laserphy-sik.Der YAG-Kristall wird zusätzlich mit Nyodym-Ionen dotiert. Diese bilden dasaktive Material im Kristall.

1.2.2 Der Nd:YAG-Kristall im Resonator

Wie in Abschnitt 1 bemerkt muss man Licht einer ganz bestimmten Wellenlängehaben um stimulierte Emission zwischen zwei Niveaus zu erzeugen. Um dies zuerreichen verwendet man einen Trick:Es gibt zwischen dem stabilen oberen und dem Grundniveau auch spontaneEmission. Das bedeutet einige der Elektronen gehen von selbst wieder in denGrundzustand über und emittieren dabei Licht der benötigten Wellenlänge.Wenn man nun noch den Kristall zwischen zwei spezielle Spiegel bringt, so wirddieses emittierte Licht immer wieder reflektiert und kann dann wieder Elek-tronen zur stimulierten Emission bringen. So verstärkt sich das Licht nach undnach selber. Der eine Spiegel ist auf das eine Ende des YAG-Stabes aufgedampftund planparallel und der Andere ist ein halbdurchlässiger, sphärischer Spiegelder zur Auskopplung des Laserlichtes dient. Der hier verwendete Resonator istsomit semi-sphärisch. Ein solcher Resonatortyp ist in Abbildung 2 dargestellt.Damit alles funktioniert muss der Resonator das Stabilitätskriterium erfüllen.Dieses Kriterium lautet wie folgt:

0 <= g1g2 <= 1

Mit gi = 1 − LRi

und Ri: Radius des Spiegels und L: Länge des Resonators.


Abbildung 3: Termschema von Nd:YAG

1.2.3 Das Termschema von Nd:YAG

Damit man lasern kann muss aber zunächst eine Besetzungsinversion erzeugtwerden, sowie in Abschnitt 1 beschrieben. Dazu muss man von außen Licht ein-strahlen, dass dem Übergang zwischen dem Grundniveau und dem instabilenOberniveau entspricht. Für Nyodym liegt dies zwischen 500 und 900 nm. Dabeisind aber in diesem Versuch nur vier Wellenlängen interessant, weil sie alle vonden Laserdioden erzeugt werden können. Das Laserdiodenarray pumpt dabei mitLicht um 810 nm Wellenlänge. Dieses bietet den Vorteil, dass das ausgesandteSpektrum sehr schmalbandig ist und nicht wie bei einer normalen Lichtquellesehr breit. Der Nachteil ist, dass man mit Laserdioden nicht die gleiche Lei-stung erreichen kann wie mit einer normalen Lichtquelle, weil eine LaserdiodeLicht erzeugt indem Elektronen zwischen verschiedenen Energiebädern der Di-ode wechseln. Weil aber hier nur zwei Elektronen gleichzeitig ein Energieniveaubestzen dürfen bekommt man entsprechend weniger Lichtleistung. Den nötigenTeil des Termschemas vom Nd:YAG findet man in Abbildung 3 und 4.

2 Experimentelles

2.1 Abstrahlcharakteristik der PumpquelleAls allererstes soll die Abstrahlcharakteristik der Laserdiode begutachtet wer-den. Dazu montieren wir diese an einen Ende der optischen Bank und stellenmit den Matlab Skripten ’settemp’ und ’setLDI’ die Diodentemperatur auf 20◦Cund den Diodenstrom auf 400mA ein. Als Schirm für die Beobachtung habenwir eine der beiliegenden Lochkarten genommen, da diese diffus reflektieren


Abbildung 4: Interessante Absorptionslinien von Nd:YAG

und es so nicht zu Gefahren kommt. Man beobachtet zwei parallele, rote Li-nen, die sich mit steigendem Abstand zur Diode von einander entfernen. Die’miese’ Abstrahlcharakteristik ist zum einen die Folge der Übergänge zwischenEnergiebändern in der Diode und zum Anderen eine Folge des sehr kleinen Re-sonators in der Diode, der nur sehr große Modenabstände zulässt, was wiederumeine recht große Divergenz zur Folge hat.

2.2 Output der LaserdiodeNachdem wir uns die Abstrahlcharakterisik der LD angesehen haben, wollenwir nun ihren Output untersuchen. Dazu stellen wir die Photodiode zunächstim Abstand von 5cm vor der LD auf. Dann messen wir die Intensität der LDfür Diodenströme von 550 bis 0 mA in 120 Schritten mit dem Matlab Befehl’IvsC(120,550,0)’. Da das Matlab Programm eine Messung ohne Naturglasfilterleider nicht zuließ, haben wir diesen in beiden Messungen vor die Photodiodegebracht. Danach wiederholten wir den Versuch für eine Entfernung von 15cm.Die erhaltenen Kurven sind in Abbildung 5 und 6 zu sehen.

Man sieht, dass die Intensität bis zu einem Wert von 138.7mA etwa null undkonstant ist. Die Laserschwelle für die Diode liegt also bei 138.7mA. Die wenigeRestintensität ist auf andere Lichteinflüsse zurückzuführen, weil wir selbst nachAbdecken des Oszi diese nicht ganz ausschließen konnten. Auf jeden Fall ist zubemerken, dass die Intensität in beiden Messungen nach der Schwelle, wie er-wartet, linear ansteigt. Außerdem ist die Intensität in der diodenfernen Messungdeutlich höher als in der Diodennahen, aufgrund von konstruktiver Interferenzdes divergenten Laserlichtes.


Abbildung 5: Output der LD in 5cm Entfernung

Abbildung 6: Output der LD in 15cm Entfernung


Abbildung 7: Aufbau mit Kollimator-, Fokuslinse und YAG-Stab

2.3 Einbindung des YAG-StabesNachdem wir uns mit der Laserdiode vertraut gemacht haben, sollten nun dieKollimator- und Fokuslinse und der YAG-Stab zum Aufbau hinzugefügt werden.Am YAG-Stab befinden sich zwei Justierschrauben die es ermöglichen den YAGsehr genau auszurichten. Dazu haben wir eine Lochkarte zwischen Fokus- undKollimatorlinse gehalten und den Strahl aus der LD möglichst genau durch einesder Löcher fallen lassen. Dann haben wir so lange an den Justierschrauben desYAG-Stabes gedreht, bis der Laserreflex genau durch das selbe Loch zurückfiel.Der Aufbau nach korrekter Justage ist in Abbildung 7 dargestellt.

2.4 Messung des Transmissionsspektrums von Nd:YAGDas Absorptionsspektrum von Nd:YAG besteht aus vier wellenlängen. 804.4,808.4, 812.9 und 817.3 nm. Darum muss die Wellenlänge der Laserdiode aufeine der Absorptionslinien von Nd:YAG abgestimmt werden. Weil diese aberunter anderem von der Temperatur der Diode abhängt, wollen wir zunächstnoch die Intensität bei konstantem Strom in einem Temperaturbereich von 27-7◦C messen. Dies wiederholen wir für Diodentröme von 250-550mA. Da dasMatlab Programm die Messung immer wieder bei etwa 12◦C abbrach, weil dieIntensität für die Photodiode zu groß wurde, haben wir die Messungen mit demNG 10 Filter durchgeführt. Dies hatte zur Folge, dass sich die Intensitäten etwaum den Faktor 10−2 verringerten. Damit befanden sie sich im Bereich 10−3. DieMesskurven und die markierten Minima sind in Abbildung 8 zu sehen.Eigentlich sollte jeder Graph vier deutliche Miminima aufweisen, die die Absorp-tionslinien des YAG-Kristalls darstellen. Praktisch sind diese aber nicht wirklichzu identifizieren. Darum haben wir jeweils das globale Minimum gewählt, weildiese auf jeden Fall die gleiche Absorptionslinie markieren.Die jeweiligen Intensitätsminima sind in Tabelle 9 dargestellt.Aus den hier bestimmten Intensitätsminima kann man nun eine Arbeitskurveerstellen indem man diese gegen die Diodenströme aufträgt. Dies geschah mitdem Matlab Prgramm ’Arbeitskurve.m’ in dem wir nur noch die Ströme unddie zugehörigen Werte für die Intensitätsminima eintragen mussten. Die Ar-


Abbildung 8: Intensität über Temperatur für verschidene Diodenströme


250 mA 300mA 350 mA 400mA 450mA 500mA 550mA17.92◦C 17.59◦C 17.42◦C 17.59◦C 17.42◦C 17.25◦C 17.42◦C

Abbildung 9: Intensitätsminima

Abbildung 10: Arbeitskurve aus Transmissionsmessungen

beitskurve ist für die Durchführung späterer Versuchsteile von Bedeutung undmusste daher sofort angefertigt werden. Das Ergebnis sehen Sie in Abbildung10.Die Geradengleichung der Arbeitskurve lautet:

y = −0.0016 · x + 18 (1)

2.5 Fluoreszenz vom Nd:YAG-KristallMan könnte vermuten, dass bei diesem Versuch die Fluoreszenz des Kristallsdie Messergebnisse verfälscht. Darum wollen wir die Fluoreszenz in diesem Teil-versuch messen und nachweisen, dass die Intensität vernachlässigbar ist. Dazuklemmen wir den RG1000 Filter zwischen den Kristall und die Photodiode. Mitdem Filter garantieren wir, dass kein Licht von der Pumpquelle gemessen wird.Dann nehmen wir die Spektren für die gleichen Diodenströme wie im vorigenTeilversuch auf. Man sollte nun an den Stellen wo zuvor ein Minimum der Trans-mission war, ein Maximum der Fluoreszenz entdecken, denn dort wo am meistenPump-Licht absorbiert wird, muss der Kristall hinterher auch am meisten Lichtemittieren. Die Messerbenisse sind in Abbildung 11 dargestellt. Dabei sind dieMaxima mit Pfeilen gekennzeichnet.


Abbildung 11: Fluoreszenzmessungen


250 mA 300mA 350 mA 400mA 450mA 500mA18.11◦C 17.91◦C 17.91◦C 17.71◦C 17.71◦C 16.92◦C

Abbildung 12: Intensitätsmaxima der Fluoreszenz von Nd:YAG

I 250 mA 300mA 350 mA 400mA 450mA 500mA∆T 0.33◦C 0.29◦C 0.12◦C 0.49◦C 0.32◦C 0.19◦C

Abbildung 13: Abweichungen zwischen Minima und Maxima Werten

Die Maxima sind in Tabelle 12 aufgetragen.

Die Unterschiede zwischen den gefundenen Maxima und den Minima aus demVorversuch sind sehr gering (größter Fehler um 2.7%). Die Abweichungen sindin Tabelle 13 dargestellt.

Da wir für die Messung der Transmission einen Filter verwendet haben, weil zuviel Licht auf den Detektor fiel, liegen die ’wirklichen’ Intensitäten der Transmis-sion im bereich von 10−1 während die Intensitäten der Fluoreszenz im Bereichvon 10−3 liegen. Sie sind also für diesen Versuch nicht störend und somit zuvernachlässigen.

Auch für diese Messung sollte eine Arbeitskurve angefertigt werden. Wir ha-ben diese Arbeitskurve als Grundlage für die weiteren Messugnen ausgewählt.Abbildung 14 zeigt die Kurve.Die Geradengleichung für diese Kurve lautet:

y = −0.0039 · x + 19 (2)

Eigentlich sollten die beiden Geradengleichungen der Arbeitskurven (1) und (2)identisch sein, aber im Rahmen der Messgenauigkeit liegen die Ergebnisse gutbeisammen.

2.6 Lebensdauer des emittierten ZustandsUm die Lebensdauer zu ermitteln haben wir einen hohen Diodenstrom einge-stellt (500mA) und die dazu optimale Temperatur der Arbeitskurve entnommen.Zudem wird die Laserdiode mit minimaler Frequenz moduliert. Das Oszilloskopwird so konfiguriert, dass eine fallende Flanke zu sehen ist. Dies ist in Abbil-dung 15 zu sehen. Zur Auswertung wird das Skript IvsZeit benutzt. Somit ergibtsich eine Lebensdauer von 202,5µs. Dies ist zum angegebenen Literaturwert von230µs ein Unterschied von 13,6%. Dieser Unterschied ist unserer Meinung nachganz passabel. Immerhin besteht eine Abhängigkeit zur eingestellten Tempera-


Abbildung 14: Arbeitskurve aus Fluoreszenzmessungen

tur und zum eingestellten Diodenstrom. Ob wir dabei nun die optimalen Werteerreicht haben ist eher zu bezweifeln.

2.7 Der Laser im BetriebIn diesem Versuchsteil erzeugen wir nun endlich Laserlicht. Der Aufbau wirdentsprechend erweitert, indem der Auskopplungsspiegel SHG100 wie in Abbil-dung 16 eingebracht wird. Durch eine aufwändige Feinjustage haben wir nunschließlich Laserlicht mit einem recht hohen Output erzeugt.

2.8 Laser-Output als Funktion der TemperaturBei festem Diodenstrom (560mA) haben wir den Laser-Output für die verschie-denen Temperaturen aufgezeichnet (Abbildung 17). Im Vergleich mit den An-regungsspektren der Fluoreszens ergibt sich, dass zum einen die Intensität we-sentlich geringer ist.Beim Laser-Output haben wir Intensitäten im Bereich von 10−4. Bei den An-regungsspektren der Fluoreszens haben wir bei einem Diodenstrom von 500mAeine Intensität von 10−2, die eher noch größer wird, wenn wir uns weiter demfür die Aufzeichnung des Laser-Outputs verwendeten Diodenstroms von 560mAnähern.Zum anderen sind auch die Minima und Maxima schlechter zu erkennen. Lei-der lassen sich die Positionen der einzelnen Minima und Maxima nur schlechtvergleichen, da wir nicht für beide Messungen denselben Diodenstrom benutzthaben, aber es lässt sich dennoch erkennen, dass die Unterschiede immer sehr


Abbildung 15: Lebensdauer des emittierten Zustands

Abbildung 16: Aufbau des Lasers


Abbildung 17: Laser-Output als Funktion der Temperatur

ähnlich sind. Zudem lassen sich ab einer Temperatur von 17◦ Celsius beim Laser-Output eigentlich kein Maxima beziehungweise Minima mehr erkennen.

2.9 Laser-Output als Funktion des DiodenstromsIn diesem Aufgabenteil wird wiederum der Laser-Output aufgezeichnet. Diesesmal wird allerdings der Diodenstrom verändert. Über die im Aufgabenteil 6bestimmte Arbeitskurve wird dazu jeweils die optimale Temperatur eingestellt.Das entsprechende Matlab-Skript übernimmt diese Aufgabe. Die zu bestimmen-de Schwelle, ab der Besetzungsinversion vorhanden ist und somit Laserlicht aus-gesendet wird, lässt sich aus dem Graphen 18 ermitteln und liegt bei 294,4mA.

2.10 Laser-Output als Funktion des Diodenstroms mit demAuskopplungsspiegel R100

Wir tauschen den zuvor benutzten Auskopplungsspiegel SHG100 gegen denAuskopplungsspiegel R100. Ansonsten wird wieder mit Hilfe der Arbeitskur-ve der Laser-Output bei verändertem Diodenstrom gemessen. Im Vergleich derbeiden Graphen zeigt sich, dass die Schwelle erst bei einem Diodenstrom von507,7mA vorhanden ist (Abbildung19). Die Verschiebung lässt sich durch die hö-here Transmissionsrate von 2% erklären. Dadurch wird erst bei einem höherenDiodenstrom Besetzungsinversion erreicht. Zudem erreichen wir mit dem Aus-kopplungsspiegel SHG100 eine höhere Intensität als mit dem R100, wobei diesebeim R100 eher sprunghaft ansteigt und nicht mehr so ganz den zu erwartendenlinearen Anstieg zeigt.


Abbildung 18: Laser-Output als Funktion des Diodenstroms

Abbildung 19: Laser-Output als Funktion des Diodenstroms mit Auskopplungs-spiegel R100


Abbildung 20: Spiking während des Einschwingvorgangs des Lasers

2.11 SpikingSpiking tritt während des Einschwingvorgangs des Lasers auf. Es bezeichnetdie kurzen, teilweise sehr starken Lichtimpulse, die ausgesendet werden. DieseSpikes führen teilweise zu einem starken Abfall der Bestzungsinversion, sodasssogar die Laserschwelle unterschritten werden kann. Das Spiking ansich ist zwarreproduzierbar, aber welche Intensität die einzelnen Spikes haben ist nicht vor-hersagbar. Die ersten Spikes haben aber eine sehr hohe Intensität, welche sogardazu führen kann, dass der Laser zerstört wird. Wie in dem Graphen 20 zusehen ist, sind die Spikes der beiden Einschwingvorgänge unterschiedlich.

2.12 FrequenzverdopplungUm überhaupt Frequenzverdopplung zu erreichen muss Licht hoher Intensitätauf ein nichtlineares Medium treffen, wie hier das Laserlicht auf den Kristall.Dadurch entsteht ein quadratischer Term in der Polarisation und somit dieFrequenzverdopplung.Dazu wird der KTP Kristall in den Strahlengang gebracht. Zudem wird derGrünfilter BG39 verwendet, um nur das frequenzverdoppelte, nun grüne, La-serlicht zu messen. Der Diodenstrom wird wieder auf 560mA gebracht und diedazu optimale Temperatur eingestellt.Unter der Hilfe von Frau Oprea konnte nach aufwändigem Justieren dann aucheine Intensität erreicht werden, die Messungen ermöglichte. Eigentlich würdesich auch eine logarithmische Auftragung der Werte aus dem Aufgabenteil 10und dem nun gemessenen Werte anbieten, da diese Unterschiede in der Inten-sität von zwei Zehnerpotenzen aufweisen. Da aber die hier ermittelten Wertenicht besonders gut sind und auch negative vorhanden sind, schließt sich eine


Abbildung 21: Laser-Output bei verändertem Diodenstrom (nicht Frequenzver-dopptelt)

logarithmische Auftragung aus. Daher zeigen wir die beiden einzelnen Graphen.Die Verschiebung der Schwelle lässt sich trotzdem gut erkennen. Im Gegensatzzur in Aufgabe 10 ermittelten Schwelle bei 294,4mA haben wir nach der Fre-quenzverdopplung eine Schwelle von 368,2mA.


Abbildung 22: Laser-Output bei verändertem Diodenstrom (Frequenzverdopp-telt)

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