Fortgeschrittenenpraktikum

Diodengepumpter Neodym-YAB Laser

Allgemeine Beschreibung

 

Ziel dieses Versuchs ist es, einen Einblick in die Funktionsweise eines Festkörperlasers zu vermitteln, der durch einen Diodenlaser angeregt wird und aufgrund seiner Materialeigenschaften resonatorintern die Frequenz des Laserlichtes verdoppelt. Zur optischen Anregung des Kristalls wird ein Diodenlaser aus GaAlAs verwendet. Ein Diodenlaser ist ein Halbleiterelement, in dem der Laserübergang zwischen Valenz- und Leitungsband stattfindet.

Die zum Laserbetrieb notwendige Besetzungsinversion erfolgt durch einen Stromfluss über den pn-Übergang. Die Spiegel des Laserresonators werden von den Enden des Halbleiterelementes selbst gebildet, da aufgrund des hohen Brechungsindex ein gutes Reflexionsvermögen erreicht wird. Durch Anbringen von schmalen Kontaktstreifen auf dem Halbleiter wird der Stromfluss auf den von diesem Streifen begrenzten Bereich festgelegt. Laser mit einem einzigen Streifen erzeugen Leistungen im Bereich einiger Milliwatt. Höhere Ausgangsleistungen können mit Dioadenlaserarrays oder Breitsteifelasern erzielt werden. Ein Diodenlaserarray emittiert aufgrund der Phasenkopplung zwischen den Streifen keinen Gauß'schen Strahl, sondern ein komplexes Interferenzmuster der einzelnen Emitter. Bei Breitstreifenlasern werden in der Regel höhere Transversalmoden angeregt. Deshalb ist der Strahl eines Diodenlaserarrays oder Breitstreifenlasers räumlich nicht kohärent und weist schlechte Abbildungseigenschaften auf. Zudem fuhrt die für einen Laser relativ große spektrale Breite von 2 nm zu einer geringen spektralen Leistungsdichte. Dies sind die wesentliche Gründe dafür, ein Diodenlaserarray nicht in direkter Anwendung zu nutzen, sondern mit seiner Hilfe einen Festkörperlaser anzuregen.

Im Vergleich zu anderen Pumpquellen ist die spektrale Breite jedoch ausreichend schmal für eine selektive Absorption im Kristall. Durch Variation der Temperatur kann zusätzlich die Wellenlänge des Diodenlasers auf eine geeignete Absorptionsbande des laseraktiven Materials abgestimmt werden. Die gesamte Leistung der Pumpstrahlung wird somit von den laseraktiven Ionen des Kristalls nahezu vollständig aufgenommen. Dadurch reduziert sich die thermische Belastung des Kristalls, im Vergleich zur Anregung mit Edelgaslampen, erheblich.

Die Kombination aus Diodenlaserarray als Pumpquelle und einem Neodym-YAB- Festkörperlaser erzielt hohe Wirkungsgrade für sichtbare Emission. Die Anwendungsgebiete reichen von der Augenheilkunde oder Entfernungsmessungen bis hin zur Materialbearbeitung, wobei besonders Präzisionsarbeiten im sub-mm-Bereich zu erwähnen sind.

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