LASER

[zeitgenosse]

Über LASER zu schreiben, ist eine kleine Kunst, bestehen doch bereits zahlreiche Beiträge über dieses zweifellos höchst aufschlussreiche Thema. Trotzdem soll hier ein pragmatischer Ansatz skizziert werden, nicht zuletzt aus Gründen des Selbstbaus, was die Angelegenheit - zumindest für einige - interessant macht. Der Schwerpunkt der Beitragsserie liegt denn auch auf eindeutig auf dem praktischen Teil.

Als Basislektüre sind folgende Titel zu empfehlen:

- Kneubühl/Sigrist, Laser (Vieweg+Teubner)

- Rapp, Experimente mit selbstgebauten Lasern (Franzis)

Sämtliche Skizzen und Fotos, die nicht näher gekennzeichnet sind, entstammen dem Buch von Thomas Rapp.

1. Der LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist eine konsequente Fortsetzung des MASER-Prinzips im optischen Spektrum.

Heutige Industrielaser arbeiten mit UV, Farblicht und IR. Der erste funktionsfähige Laser wurde von Maiman (1960) mit einem Rubinstab nach dem Fabry-Pérot-Prinzip gebaut und von der Gelehrtenwelt zunächst stiefmütterlich behandelt.

In der Folge entstanden die unterschiedlichsten Lasertypen, so dass ein Übersichtsschema angebracht ist:



Inzwischen sind selbst Röntgenlaser keine Seltenheit. Der "Freie Elektronen Laser" (XFEL) verkörpert diese Entwicklungsstufe. In Kalifornien steht bereits ein Superlaser mit "der Brennkraft eines Sterns".

1.1 Laser-Prinzip

Wie bereits beim Maser geht es darum, die Besetzungsinversion der atomaren oder molekularen Energieniveaus gezielt zu beeinflussen. Im Unterschied zum Maser sind dazu drei- oder vierwertige Niveaustufen unabdingbare Voraussetzung. Der entsprechende Übergang in das metastabile Niveau wird zur stimulierten Emission genutzt. Bei nur zwei Energiestufen würde das abgestrahlte Licht sogleich wieder absorbiert, so dass keine fortlaufende Lichtverstärkung erzielbar wäre.

Rein theoretisch hat Einstein (1916) grundsätzliche Überlegungen zur Inversion und Stimulation beigesteuert: "Zur Quantentheorie der Strahlung."

Nach A.E. sind deshalb die sog. Einstein-Koeffizienten benannt:

http://de.wikipedia.org/wiki/Einsteinkoeffizienten

(Was viele vielleicht nicht wissen, ist, dass sich Einstein öfters mit Aspekten der statistischen Physik beschäftigte.)

2. Einer der einfachsten (im Selbstbau zu verwirklichenden) Laser ist der Stickstofflaser, der von Heard (1963) erstmals untersucht wurde ohne seinerzeit auf grössere Aufmerksamkeit zu stossen. Inzwischen ist das glücklicherweise anders.

2.1 In der folgenden Grafik ist das Niveauschema des Stickstoffmoleküls (N2) dargestellt:



Der für unsere Zwecke geeignete Laser-Übergang mit seiner Hauptlinie von 337 nm befindet sich zwischen den zwei oberen Niveaus. Die energiereichste Besetzung besitzt eine nur sehr kurze Lebensdauer von 40 ns, das mittlere Niveau hingegen weist eine solche von einigen Millisekunden auf. Weil sich demzufolge die Inversion schnell abbaut, kann der Stickstofflaser nur im Pulsverfahren betrieben werden. Dies geschieht mittels Hochspannungsimpulsen (10 bis 30 kV), wodurch die damit bewirkte Stossionisation zum Lasereffekt beiträgt. Eine grosse Wiederholrate wird durch die lange Lebensdauer des unteren Niveaus erschwert, weil die dort befindlichen N2-Moleküle für den Inversions-Zyklus erst nach Ablauf ihrer Verweildauer erneut zur Verfügung stehen. Die Wiederholrate lässt sich aber steigern, dadurch, dass der Stickstoff das Entladungsrohr durchströmt (und somit stets Moleküle im Grundzustand vorhanden sind) oder auch, indem der Gasdruck erhöht wird. Durch die gegenseitigen Stösse der Moleküle entleert sich das untere Niveau dann schneller.

2.2 Meist werden Stickstofflaser transversal betrieben (sog. TE-Laser), d.h. dass das stimulierende elektrische Feld quer zur optischen Achse verläuft. Trotz grösserer Kammerlängen kann so die Impedanz der Entladestrecke niedrig gehalten werden (was für kurze Pulse nötig ist). Es sind Verstärkungen bis über 100 dB/m erzielbar. Deshalb wird der Stickstofflaser oft im sog. "Superstrahlmodus" betrieben. In diesem Fall sind keine stirnseitigen Spiegel nötig, was die Konstruktion erheblich vereinfacht. Auch eine longitudinale Entladung zwischen zwei stirnseitigen Elektroden ist möglich. Solches erlaubt kürzere und kompakte Bauformen, ist aber weniger ergiebig.

2.3 Schliesslich kann der Stickstofflaser sogar unter Atmosphärendruck betrieben werden (sog. TEA-Laser), so dass Vakuumsysteme weitgehend entfallen. Die genannten Gründe prädestinieren diesen Laser geradezu für den Selbstbau.

Fortsetzung folgt...

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3. Stickstoff-LASER

Allgemein gehört der N2-Laser zu den vibronischen Lasern. Darunter versteht man Laser, bei denen Vibrationsniveaus verschiedener elektronischer Zustände involviert sind. Infolge der grossen Verstärkung wird die Besetzungsinversion der N2-Moleküle in einem Durchgang abgebaut, so dass der N2-Laser auch ohne Resonatorspiegel als "Superstrahler" (bei einem Gasdruck zwischen einigen mbar bis über 1 bar) betrieben werden kann. Meist wird jedoch eine Optik eingesetzt, um so die effektive Weglänge im laseraktiven Medium - und damit die Strahlintensität - zuu erhöhen. Zudem wird damit der Strahldivergenz entgegen gewirkt.

Die Emissionsspektren liegen im sichtbaren und ultravioletten Bereich. Das neutrale N2-Molekül ermöglicht über 440 Laseremissionslinien, von denen für unsere Zwecke der bereits erwähnte Übergang im UV relevant ist (insbesondere die intensivste Linie von 337 nm). Es handelt sich um einen Übergang des elektronischen Zustandes C^3Π_μ --> B^3Π_g. Einer Analyse von Davis und Rhodes zufolge besteht dieser Laserübergang aus einer Vielzahl von dicht beieinander liegenden Rotationsübergängen. Daraus resultiert die vergleichsweise grosse Bandbreite von 0.1 nm der Emission. Die Besetzung des oberen Niveaus erfolgt direkt durch Elektronenstoss aus dem Grundzustand - meist in einer Gasentladung. Der N2-Laser ist somit ein Dreiniveau-Laser. Der vibronische Übergang ist "self-terminating"; denn die Lebensdauer des unteren metastabilen Zustandes ist wesentlich länger, als die des oberen Inversionsbandes. Die hervorgehenden Laserpulse besitzen eine Dauer von bis zu 5 ns. Die max. Pulsfrequenz ist dadurch auf 100 Hz beschränkt.

Stickstofflaser werden dort eingesetzt, wo kurze Pulse mit hohen Pulsleistungen im UV benötigt werden, also vorwiegend zum Pumpen von Farbstofflasern. Inzwischen wurde der N2-Laser weitgehend durch den Excimerlaser verdrängt, welcher wesentlich grössere Pulsspitzenleistungen und Pulsenergien generiert. Für Selbstbauzwecke ist der N2-Laser aber nach wie vor die preisgünstigste Lösung.

3.1 TEA-Laser (Stickstoff oder Luft)

Einer der Vorteile dieser Variante ist die Möglichkeit des Betriebs unter normalem Atmosphärendruck, so dass das Vakuumsystem entbehrlich wird. Unter bestimmten Voraussetzungen ist sogar der Betrieb mit normaler Luft anstatt reinem Stickstoff möglich. Die elektronegativen Sauerstoffmoleküle erschweren zwar eine homogene Gasentladung. Ein weiteres Erschwernis ist der hohe Druck, wodurch das ohnehin kurzlebige obere Energieniveau zusätzlich zur Entleerung angeregt wird. Die Pumpenergie muss dem System somit in vergleichbar kurzer Zeit zugeführt werden. Parasitäre Induktivitäten sind zu minimieren und Kapazitäten klein zu halten. Solches ist mit Bandleitungen (Blumlein-Schaltung) gut möglich. Diskrete Kondensatoren müssen dabei durch leitende dünne Bleche oder Folien aus Aluminium ersetzt werden.

Bandleitung mit Funkenstrecke:
http://sites.google.com/site/futurephysics//Home/blumlein.jpg

Für Bandleitungen eignen sich bspw. beidseitig kaschierte Leiterplatten (Cu-Dicke 0.6 mm) aus glasfaserverstärktem Epoxid (FR4). Die Oberseite wird nach bekanntem Ätzverfahren behandelt, die Unterseite bleibt wie sie ist. Die Kapazität beträgt etwa 2 nF pro Kondensator. Für die benötigte Funkenstrecke wird eine kreisförmige Fläche ausgeätzt, in welche die 'Spark gap' passt.

Die Laserkammer wird aus Plexiglas gefertigt und mit einem handelsüblichen Epoxidharzkleber verleimt. Stirnseitig wird die Kammer mit Grundplatten abgeschlossen, die auch Träger der Optik sind. Als Elektroden dienen zwei Alubleche, deren Kanten zur Vermeidung unerwünschter Spitzen- und Koronaentladungen wie üblich mit Sandpapier und Poliertuch bearbeitet wurden.

Besonderes Augenmerk ist der Vorionisation zu widmen. Zu diesem Zweck wird die von Bergmann (1972) eingeführte Oberflächenentladung eingesetzt. Die Geometrie des Bandleitersystems führt zu einer mit der Lichtwelle synchron laufenden Entladung. Die Beläge der Bandleitungen werden dazu bis unter die eigentlichen Laserelektroden geführt. Der Elektrodenspalt soll im vorliegenden Beispiel eine Breite von 6 mm vorweisen. Bei Erregung bildet sich im Spalt eine Gleitentladung aus. Die dabei einsetzende UV-Strahlung bewirkt eine Vorionisation des Gases. Danach erst setzt die uniforme Volumenentladung ein.

TEA-Laser (Betrieb mit Luft):
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/tea-laser.jpg

3.2 TE-Laser (Stickstoff)

Aufgrund der Stickstoffbefüllung ist eine höhere Leistung zu erwarten als beim mit Luft betriebenen TEA-Laser. Der Betriebsdruck liegt zwischen 50 bis 150 mbar, so dass eine Drehschieberpumpe empfehlenswert ist. Auch eine Membranpumpe leistet gute Dienste. Ein zusätzlicher Stutzen dient dem Anschluss eines Bourdon-Manometers.

Für die ca. 160 mm langen Elektroden der Entladungsstrecke wird Flachmaterial (20x4) aus Aluminium, Kupfer oder Messing verwendet. Die dem Entladungskanal zugewandten Kanten und Ecken werden angefeilt und poliert, um eine runde Kontur zu erhalten. Es ist strikte auf Parallelität zu achten.

Die Kondensatorbank kann - wie bereits erwähnt - durch eine Bandleitung (Blumlein-Generator) realisiert werden. Die Gesamtkapazität soll lediglich einige nF betragen. Ansonsten verwendet man keramische HV-Kondensatoren in "Doorknop"-Ausführung.

Betrieben wird der TE-Stickstoff-Laser mit der LC-Inversionsschaltung:



Parallel zum Laserkanal kann zudem ein Peaking-Kondensator montiert werden.

Funktionsfähiger Blumlein-Stickstoff-Laser:
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/blumlein_te-laser.jpg

3.3 Zubehör

3.3.1 Eine freilaufende Funkenstrecke lässt sich mit einfachen Mitteln herstellen. Als Elektroden werden Hutmutern verwendet. Um das beim Durchschlag unvemeidliche Knallen zu dämpfen, wird das Elektrodenpaar in einem Gehäuse verschlossen. Weil die Schlagweite auch vom Gasdruck abhängt, kann bei Bedarf ein Stutzen für eine Pumpe (Füllgas) montiert werden.

Einfache Funkenstrecke:
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/funkenstrecke.jpg

3.3.2 Soll die Funkenstrecke getriggert werden, muss zusätzlich zu den zwei Hauptelektroden eine dünne Triggerelektrode montiert werden, an die eine Zündspule angeschlossen wird. Bewährt hat sich z.B. das Trigatron, wo die eine Hauptelektrode durchbohrt wird, um einen isolierten Drahtstift einzuführen, mittels welchem die (getriggerte) Zündung eingeleitet wird.

3.3.3 Soll das Gasvolumen schnell entionisiert werden, kommt eine Löschfunkenstrecke zum Einsatz, bestehend aus mehreren in kleinem Abstand und isoliert voneinander befestigten Blechen. Damit lassen sich bereits mit dem Wasserstoff-Thyratron vergleichbare Pulsraten im kHz-Bereich erzielen.

3.3.4 Die Spiegeloptik lässt sich mit einfachen Mitteln realisieren. Für den Vollspiegel wird bspw. ein metallisiertes Glas verwendet, wie solches in Scannern anzutreffen ist. Aluminiumbedampfte halbdurchlässige Spiegel für den Austrittsstrahl lassen sich auch mit einer selbstgebauten Sputteranlage herstellen. Oft genügt bereits ein Austrittsfenster aus gewöhnlichem Glas (BK7). Die Transmission beträgt in diesem Fall etwa 92 %.

3.3.5 Gelegentlich wird das Laserfenster nicht senkrecht zum Strahl angebracht, sondern unter einem bestimmten und für das jeweilige Material charakteristischen sog. Brewsterwinkel:

α = arctan(n2/n1)

n2 = Brechzahl des Fenstermaterials; n1 = Brechzahl des umgebenden Mediums

Es existiert somit ein Winkel, unter dem Licht einer Polarisationsrichtung reflexfrei das Material durchdringt. Die Spiegeloptik befindet sich dann ausserhalb der Laserkammer.

3.3.6 Justiert werden die Spiegel mit einer selbstgebauten Dreipunkthalterung. Der Spiegel liegt dazu auf einem O-Ring auf.

Spiegelhalterung:
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/spiegelhalter.jpg

Für den semi-professionellen Einsatz hat sich dieses System ausreichend bewährt. Weitere Varianten eines Stickstoff-Lasers sind dem Buch von Rapp zu entnehmen.

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4. Kupferdampf-LASER

(Wie bereits zuvor sind auch hier die einschlägigen Skizzen und Bilder dem lehrreichen Experimentierbuch von Rapp entnommen.)

4.1 Dieser zu den Metalldampflasern zählende Typus - den die Pink Floyd Group bei ihren Bühnenshows einsetzte - kann mit einigem Geschick im Eigenbau realisiert werden. Charakteristisch ist der smaragdgrüne breite Strahl, der sich aus zwei Hauptlinien konstituiert. Die grüne Linie besitzt eine Wellenlänge von 511 nm, die etwas schwächere gelbe Linie strahlt bei 578 nm. Der Kupferdampflaser kann wegen seiner ordentlichen Verstärkung sogar im Superstrahlmodus betrieben werden.

Gelegentlich werden Kupferdampflaser als Pumplichtquellen für Farbstofflaser oder in der Medizin zur Zerstörung von Tumoren mittels photodynamischer Therapie eingesetzt.

Niveauschema des Kupferdampflasers:



Die Besetzung des oberen Laserniveaus erfolgt durch Elektronenstossanregung von Metallatomen im Grundzustand. Infolge der langen Lebensdauer des unteren Niveaus gegenüber Relaxation ist die Bedingung für einen kontinuierlichen Betrieb nicht erfüllt, so dass dieser Laser nur gepulst betrieben werden kann. Wie bspw. der verwandte Golddampflaser gehört auch der Kupferdampflaser zu den selbstterminierten Lasersystemen.

4.2 Nachteilig wirkt sich die hohe Betriebstemperatur von über 1'350 °C aus, weil damit der Schmelzpunkt für den preislich günstigen Widerstandswerkstoff 'Kanthal' (1'320 °C) für den Rohrheizer bereits überschritten wird und derjenige für das Quarzglas (1'500 °C) in die Nähe rückt. Bevorzugt sind daher Rohre aus Aluminiumoxid oder Keramik und Heizdrähte aus Platin-Rhodium, die jedoch relativ teuer sind. Anstelle der PtRh-Drähte eignen sich auch Silitstäbe. Tantal-, Wolfram- oder Molybdänbänder sind dagegen heikel, weil sie in einer Schutzgasatmosphäre betrieben werden müssen, was die Konstruktion wiederum unnötig kompliziert. Eine einfachere Möglichkeit bietet sich in der Verwendung von dünnen Kohlestäben (Grafitelektroden) an.

Rohrofen:



Bedampft man lediglich in entsprechend kurzen Intervallen kann totzdem mit Kanthaldraht von 1 mm Durchmesser und Quarzglas gearbeitet werden. Die innenliegende Heizung (80 Windungen) wird direkt auf das Entladungrohr der Laserstrecke gewickelt. Darüber wird ein zweites Quarzrohr mit Glasfaserschnur als Isolation geschoben. Den äusseren Abschluss bildet eine Wasserkühlung, bestehend aus einem dünnwandigen Stahlrohr mit Kupferkühlschlange. Fixiert wird der Rohrofen beidseitig mit passenden Briden.

4.3 Der Kupferdampflaser ist ähnlich wie der longitudinale Stickstofflaser aufgebaut. Die Entladungsstrecke (Quarzrohr) besitzt eine Länge von ca. 300 mm (bei einem Aussendurchmesser von 10 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm). Die stirnseitigen Elektroden bestehen aus Kupferrohr, auf welches auch der Träger für die Optik (Spiegel bzw. Fenster) und der Pumpstutzen angelötet werden. Die vakuumdichte Verbindung zum eigentlichen Laserrohr besteht aus Silikonschlauch. Zur Befestigung der Elektroden auf Isolatoren - oder auch direkt an einen Kondensator - dienen angelötete Stäbe aus Flachkupfer oder Messing. Als Montagegrund dient eine massive Aluplatte, auf der sich die übrigen Komponenten (Kondensator, Drossel und Funkenstrecke) befinden. Die elektrischen Verbindungen werden aus Kupferblech gefertigt, um so die Induktivitäten gering zu halten. Als Optik dient ein metallisierter 100 % Spiegel sowie ein Austrittsspiegel aus Glas. Vor der eigentlichen Inbetriebnahme muss das Laserrohr mit Kupferschrott bestückt werden. Danach wird die Optik justiert und der Laser abgepumpt. Nach Erreichen des Grobvakuums wird über ein Reduzierventil das Puffergas Helium eingelassen, bis der Druck auf etwa 2 bis 5 mbar ansteigt. Danach wird der Rohrofen langsam hochgefahren und die Hochspannungsversorgung aktiviert.

Konstruktiver Aufbau eines Kupferdampflasers:



Betrieben wird der Kupferdampflaser mit einer simplen Kondensatorentladung über einer freilaufende Funkenstrecke. Für die benötigte Hochspannung wird ein Streufeldtrafo eingesetzt, wie solche für Oelfeuerungen (OBIT) oder Leuchtreklamen (Neontrafo) verwendet werden. Bei Netzbetrieb zündet der Laser somit mit einer Pulsrate von 100 Hz.

Beschaltung des Kupferdampflasers:



Die zur Laserstrecke parallel verdrahtete Drossel besitzt 10 Windungen auf einem Ringkern. Die Heizleistung für den Rohrofen stammt aus einem Regeltrafo (500 VA), dem ein Trenntrafo mit 110 V Sekundärspannung nachgeschaltet ist.

4.4 Weitere Varianten - wie z.B. der mit einem Thyratron gepulste Kupfer-Jodid-Laser oder der Metalldampf-Hohlkathodenlaser - finden sich im Buch von Rapp.

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5. Rubin-LASER

Der Rubinlaser wurde von Maiman (1960) als erster Laser überhaupt realisiert. An der EXPO 64 (Abt. Wissenschaft und Schule) wurden einem erstaunten Publikum Interferenzphänome mit kohärentem Laserlicht vordemonstriert. In den Anfangsjahren wurden gepumpte Rubinlaser für optische Radarsysteme genutzt.

Mit diesem zu den Festkörperlasern zählenden Laser schliesse ich diese Beitragsserie allmählich ab, obwohl es noch weitere Typen für den Selbstbau gibt (wie bspw. den CO2-Laser und diverse Farbstofflaser). Der Interessierte mag sich nun selbst um diese Dinge kümmern.

5.1 Das aktive Medium konventioneller 'Solid state lasers' besteht aus Kristallen oder Gläsern mit Abmessungen von einigen cm Länge, die geringfügig mit optisch aktiven Ionen (z.B. Cr+++) oder seltenen Erden (Nd+++) dotiert sind. Rubin besteht aus mit Chrom dotiertem Korund. Der Cr+++ Anteil beträgt nur 0.05 Gewichtsprozent. Die Anregung erfolgt durch optisches Pumpen mit Blitzröhren oder auch Diodenlasern. Mit dem Rubin vergleichbare Systeme finden sich beim Alexandrit und beim mit Titan dotierten Saphir. Der heutzutage wichtigste Festkörperlaser ist der Neodymlaser. Dem Rubinlaser kommt somit nur noch eine historische Bedeutung zu. Für den Selbstbau handelt es sich aber nach wie vor um ein interessantes Projekt.

5.2 Niveauschema des Rubinlasers:



Es handelt sich um ein Dreiniveau-System. Rubin besitzt zwei Absorptionsbänder (blau und grün) im sichtbaren Spektrum, die für die charakteristische rote Farbe verantwortlich sind. Um überhaupt einen Effekt zu erzielen, müssen mehr als die Hälfte aller Cr+++ Ionen in das obere Laserniveau gepumpt werden. Die Ionen in den F-Bändern zerfallen strahlungslos in das metatstabile Laserniveau 2E, um innert 1 ns zu thermalisieren, wobei sich der Rubinkristall erwärmt. Dieses Niveau ist in zwei Zustände aufgespalten deren Lebensdauer 3 ms beträgt. Die von diesen Zuständen ausgehenden Laserübergänge R1 und R2 sind erzwungene Dipolübergänge. Normalerweise erfolgt die Lasertätigkeit auf der etwas stärkeren R1-Linie bei 694 nm (Rotlicht).

5.3. Um einen Rubinlaser zu bauen, muss zunächst ein zylindrischer Rubinstab vorhanden sein. Der Kristall wird nach der Herstellung gemäss dem Verneuilschen Verfahren durch Temperung mechanisch entspannt; dazu wird er bis auf 2'050 °C erwärmt und danach langsam während 120 Stunden abgekühlt. Aus ehemaligen Beständen finden sich ab und zu industriell verspiegelte (mit dielektrischen Reflexionsschichten bedampfte) und geschliffene, polierte und gelegentlich mit Saphirüberzug versehene Rubinstäbe von etwa 70 bis 100 mm Länge und 1/4 " im Durchmesser. Ebay z.B. bietet sich als Tauschbörse an.

Im Rubin wandert das Licht als stehende Welle zwischen den Silberspiegeln hin und her; dabei sind gewisse Resonanz- und Rückkopplungsbedingungen nach dem Fabry-Pérot-Prinzip zu erfüllen. Die Forderung ist erfüllt, wenn im Fabry-Pérot-Resonator der Spiegelabstand ein Vielfaches der halben Wellenlänge ist:

k * λ = 2D

k = 1, 2, 3, ..., n

Die Stirnflächen müssen auf 1/10'000 mm genau planparallel geschliffen sein. Die aus dem metastabilen - unter Aussendung roten monochromatischen Lichtes - in den Grundzustand fallenden Chromatome bauen eine kohärente Strahlung auf, die bei genügender Intensität den teildurchlässigen Spiegel als scharf gebündelter Strahl verlässt. Es sind verschiedene Moden möglich. Zur Stimulation tragen zur Hauptsache diejenigen Strahlen bei, die parallel zur optischen Achse verlaufen. Schräge Strahlen verlassen den Resonator bereits nach wenigen Reflexionen. Ein kohärenter Wellenzug kann sich ohne Weiteres bis auf 1000 km Länge erstrecken. Charakteristisch beim gepumpten Rubinlaser sind sog. Spikes, die als kurze aufeinander folgende Lichtstösse in Erscheinung treten.

5.4 Nebst einem Rubinkristall braucht es eine Pumplichtquelle in Form einer starken Blitzlampe (Weisslichtquelle). Für einen Selbstbau-Rubinlaser sind min. 1 kJ Pumpleistung nötig. Dazu gehört eine leistungsfähige Kondensatorbank.

Kondensatorbank mit Ladegerät:
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/kondensatorbank.jpg

Laserkopf (Pumpkammer und Röhren):
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/laserkopf_ru.jpg

Die von Maiman ursprünglich verwendete Wendelröhre düfte nicht einfach zu beschaffen sein, so dass eine stabförmige Blitzlampe (Quarzrohr) verwendet wird. Um den Wirkungsgrad zu maximieren, wird eine elliptische Pumpkammer benutzt. Die Kegelschnittgeometrie kommt uns hierzu zu Hilfe. Lampe und Rubin werden in den Fokalpunkten angeordnet. Das aus dem einen Brennpunkt austretende Pumplicht trifft somit immer auf den im zweiten Brennpunkt befindlichen Rubin.

Es gilt die Formel:

e = 2[sqrt((a/2)² - (b/s)²)]

e = Abstand der Brennpunkte
a = grosse Ellipsenachse
b = kleine Ellipsenachse

Dîe Exzentritzität sollte möglichst klein sein, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Als Kammer eignet sich bspw. ein dünnwandiges (innen poliertes) Alurohr, das im Schraubstock in die gewünschte elliptische Form gepresst wird. Eine versilberte Innenfläche wäre die beste Lösung.

Um den Laser zu pumpen, ist eine dazu geeignete Schaltung erforderlich.

Prinzipschaltung eines Rubinlasers mit elliptischer Zylinderkammer:



Für die Zündung der Blitzlampe wird eine "serielle Triggerung" verwendet. Zündelement ist ein Thyristorpulser, der über eine Kfz-Zündspule einen 30 kV Impuls erzeugt. Mit dem Puls wird ein HV-Kondensator geladen, bis es zur Zündung der Funkenstrecke kommt. Über einen Übertrager wird danach die Blitzlampe gezündet.

Zündschaltung Blitzlampe:



5.5 Der Rubinlaser bietet die Möglichkeit, einen Riesenimpuls zu generieren. Die hohe Leistung des Riesenimpulses ermöglicht bspw. Effekte wie den 'Airbreakdown', wo mitten im Raum durch Ionisation der Luft ein kräftiger Funke entsteht. Zur Verstärkung wird der Strahl mit einer Linse fokussiert. Um einen Riesenimpuls zu erzeugen, wird während des Pumpens der Resonator optisch gesperrt, so dass der Laser trotz anwachsender Inversion nicht anschwingen kann. Wird der Lichtweg zum richtigen Zeitpunkt freigegeben, entlädt sich die gespeicherte Energie spontan in einem einzigen Lichtblitz statt in mehreren Spikes. Dieser Vorgang ist reversibel.

Massgebend für diese Betriebsart ist der optische Schalter, der den Strahlengang blockiert oder freigibt. Die mechanische Variante benutzt rotierende Spiegel oder rotierende Blenden. Wesentlich schneller, aber auch aufwendiger, sind optische Schalter wie Kerr- und Pockelszelle, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung die Polarisationsrichtung des passierenden Lichtstrahls drehen. Werden zusätzlich Polarisatoren im Strahlengang angeordnet, kann der Lichtstrahl gesperrt oder freigegeben werden. Ein bekanntes Polarisationsfilter ist das Nicolsche Prisma. Auch Glasplatten mit dünnen Schichten parallelgerichteter Kristalle aus Chininsulfat kommen gelegentlich zur Anwendung.

Für den Eigenbau ist diese professionelle Möglichkeit nicht einfach realisierbar. Es bietet sich stattdessen das Prinzip der "sättigbaren Absorption" an. Bestimmte organische Farbstoffe (wie z.B. Kryptocyanin, Malachitgrün, Naphtolgrün und Nachtblau) werden bei Sättigung mit Licht plötzlich transparent. Als besonders geeignet erweisen sich Farbstoffe, deren Absorptionspeak bei 694 nm (R1-Linie des Rubinkristalls) liegt. Montiert man eine Küvette mit einem solchen Farbstoff im Resonator, kann der Laser trotz zunehmender Inversion nicht schwingen. Bei einer bestimmten Lichtintensität wird die Farbstoffzelle jedoch innert weniger Nanosekunden durchlässig, so dass ein Riesenimpuls entsteht. Das alles und vieles mehr lernt man während des Studiums der technischen Physik.

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Abschliessend einige Varietäten zu Hochspannungsquellen, Bauteilen und optischen Besonderheiten (wo keine weiteren Angaben vorliegen, entstammen die Skizzen dem Buch von Rapp):

A) Wer sich bereits mit dem Tesla-Generator auseinandergesetzt oder diesen selbst nachgebaut hat, dürfte keinerlei Schwierigkeiten mit der Beschaffung und/oder Herstellung eines geeigneten Hochspannungsteils (10 bis 30 kV) für eine Gasentladungsstrecke haben. Beim Gaslaser benötigen wir die Hochspannung für die Ionisation des Laserrohrs, beim Festkörperlaser zur Speisung einer Pumplichtquelle (Blitzlampe).

Unter den vielen Möglichkeiten kommen z.B. in Frage:

a) Obit's (Oil Burner Ignition Transformer), das sind Zündtrafos von Oelbrennern, die man aus alten Geräten ausschlachtet.

b) Neontrafos, hier ist aufgrund der Leistung einige Vorsicht angebracht; es sollten sich nur instruierte Personen damit befassen.

c) Kfz-Zündspulen, die sich in jedem Auto finden; ein Besuch bei einem Teile-Verwerter lohnt sich bestimmt.

d) Hochspannungskaskaden aus TV-Geräten oder aus diskreten Bauteilen erstellte Kaskaden (Greinacherschaltung).

e) Marxgeneratoren für kräftige Stossspannungen.

f) Impulstransformatoren, die mit Thyratrons, VMOSFET's oder Funkenstrecken betrieben werden.

g) Einschenkel-Hochspannungstransformatoren mit nachgeschaltetem Diodengleichrichter.

h) Funkeninduktoren (Rühmkorff-Spulen), die mit einem Wagnerschen Hammer als Unterbrecher arbeiten.

i) Bandgeneratoren für hohe Gleichspannungen, wenn sehr lange Entladungsstrecken ionisiert werden sollen.

Brauchbare Beispiele für 'Solid states' Hochspannungsgeneratoren finden sich bei:

Wahl, "Tesla Energie" (Franzis)

Der Eigenbau von Hochspannungstransformatoren wird ausführlich beschrieben bei:

Kallenberger, "Experimente mit selbstgebauten Jakobsleitern" (Franzis)

Nützlich ist natürlich allezeit, wenn die Möglichkeit zum Selberwickeln von Spulen vorhanden ist. Auch die Einzelherstellung von bestückten Leiterplatten im Hobbykeller erweist sich als enormer Vorteil; damit lassen sich nahezu beliebige Schaltungen realisieren.

Als Kondensatoren kleiner Kapazität eignen sich "Doorknop-Ausführungen" mit Keramikdielektrikum, die auch Pulsspannungen mit steilem du/dt verkraften:

http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/ceramic_capacitor.jpg

Solche findet man preisgünstig auf Ebay, Funk- und Elektronikbörsen.

Für mittlere Spannungen eignen sich auch Becherkondensatoren mit Polypropylen-Folie:

http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/hv-kondensatoren.jpg

Wasserstoffthyratrons und Boosterdioden, die zum Teil aus sowjetischen Beständen stammen, sind über Tauschbörsen und/oder Händler zu beschaffen:

http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/thyratron.jpg

Eine mögliche Bezugsadresse ist z.B.:

http://www.die-wuestens.de

Nicht zuletzt sollte man sich auch physikalisch mit Hochspannungstechnik befassen und geeignete Literatur konsumieren, um sich ein einschlägiges Grundwissen zu erarbeiten, z.B.:

Küchler, "Hochspannungstechnik. Grundlagen - Technologie - Anwendungen" (Springer)

B) In der Optik - insbesondere der nichtlinearen - wurden in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte erzielt, so dass sich das Studium der Technischen Physik empfiehlt. Geeignete Techn. Univ. befinden sich bspw. in Illmenau, Duisburg-Essen und Graz - wobei auch andere Schwerpunkte als Optik vorherrschend sind. In Duisburg bspw. sind es Dünnschichttechnologie, Plasmaerzeugung und Plasmadiagnostik, Metallphysik und Materialwissenschaft, Physik dünner Schichten und Oberflächenphysik. Ich möchte mit meinem Votum lediglich in allgemeiner Weise die Jungen für die Technische Physik begeistern, habe aber auch nichts dagegen, wenn einer mathematische Physik studiert.

Als Studienbücher eignen sich nach meinem Gusto:

Hecht, "Optik" (Oldenbourg)

Bergmann/Schaefer, "Optik" (de Gruyter)

Zur Erinnerung:

Im selben Jahr, als Darwin sein in den Augen der Wissenschaftler fulminantes Werk "The Origin of Species" herausgab, wurde von Kirchhoff ein bis anhin rätselhaftes Phänomen, die Schwarzkörperstrahlung, untersucht. Die Problematik war enorm schwierig, so dass sich weitere Forscher wie Stefan-Boltzmann, Wien und Jeans-Rayleigh mit der Thematik befassten. Schliesslich gelang es einem bis dato wenig bekannten Physiker namens Planck, das Rätsel in Fleissarbeit zu lösen. Die bahnbrechende neue Erkenntnis lautete: Licht ist gequantelt und breitet sich in Form diskreter Energiepakete aus. Obwohl Planck selbst noch nicht so recht daran glauben wollte, übernahm ein unkonventioneller junger Denker im "Amt für geistiges Eigentum" in Bern dieses revolutionäre Konzept, bereinigte Plancks Arbeit von noch anhaftenden Fehlern und schrieb 1905 eine eigene Arbeit mit dem Titel: "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt zum photoelektrischen Effekt" (wofür er 17 Jahre später den Nobelpreis erhielt). Damit waren die Grundlagen der Quantenphysik gelegt, welche rund 50 Jahre später zum LASER führten.

Nun zu den einschlägigen Beispielen:

a) Die infrarote Strahlung eines Nd:YAG-Lasers (1'060 nm) kann auf einfache Weise durch Frequenzverdopplung in grünes Licht (532 nm) umgewandelt werden. Dazu werden die nichtlinearen Eigenschaften bestimmter optischer Materialen ausgenutzt, darunter KDP (Kaliumdihydrogenphosphat) und KTP (Kaliumtitanatphosphat). So ist KTP in nahezu allen grünen Laserpointern zu finden. Dazu wird der KTP-Kristall mit einem Nd:YAG-Kristall verklebt und mit Spiegelschichten versehen.

Prinzip des grünen Laserpointers:



Die Frequenzverdopplung (Erzeugung der 2. Harmonischen) wurde erstmals 1961 von Franken et al. an der Univ. von Michigan beobachtet, als ein 3 kW Puls roten Lichtes (694 nm) von einem Rubinlaser auf einen Quarzkristall fokussiert wurde. Ein Bruchteil der einfallenden Welle wurde in die 2. Harmonische umgewandelt, die im UV (347 nm) liegt. Theoretisch handelt es sich um eine nicht einfache Sache. Für eine vollständige Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Polarisation und elektrischer Feldstärke benötigt man daher den Suszeptibilitätstensor.

Nebst KTP wir häufig auch KDP zur Frequenzverdopplung eingesetzt. Dieser nichtlineare Kristall ist piezoelektrisch, durchsichtig und negativ einachsig doppelbrechend. Dazu kommt: Ist der einfallende Strahl (Grundfrequenz) ein ordentlicher Strahl, so entsteht die 2. Harmonische als ausserordentlicher Strahl.

b) Eine weitere Spezialität aus der nichtlinearen Optik ist die Frequenzmischung, die sich ebenfalls im Photonenbild erklären lässt. Während bei der Erzeugung der 2. Harmonischen ein "Summenphoton" massgebend war, ist es bei der Mischung ein "Differenzphoton". Dazu wird in einen nichtlinearen Kristall (Lithiumniobat) eine intensive Welle (Pumplicht) eingestrahlt, welche auf eine schwache Signalwelle niedrigerer Frequenz - die verstärkt werden soll - trifft. Das Pumplicht wandelt sich dabei in Signallicht und eine Differenzwelle (Idlerlicht) auf. Auf diese Weise werden sowohl Signal als auch Idlerwelle verstärkt.

Optisch-parametrischer Oszillator:


Quelle: Hecht, "Optik"

Ein optischer Oszillator nach obigem Prinzip wurde 1965 realisiert. Die planparallelen Stirnseiten des nichtlinearen Kristalls sind so beschichtet, dass ein Fabry-Pérot-Resonator entsteht. Signal und Idlerfrequenz - als Resonanzfrequenzen des Resonators - liegen bei etwa 1000 nm. Bei genügender Intensität des Pumplichtes wird dessen Mode in Schwingungsmoden des Signal- und Idlerlichtes übertragen; dabei wird kohärente Strahlungsenergie mit den entsprechenden Frequenzen frei. Durch kontinuierliche Aenderung des Brechungsindexes - etwa durch Anlegen eines variablen elektrischen Feldes - wird der Oszillator durchstimmbar. Der optisch-parametrische Oszillator ist somit eine laserähnliche, in einem weiten Bereich zwischen IR und UV abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung.

c) Sogar ein einfacher Röntgenlaser lässt sich im Selbstbau realisieren. Über 30 Jahre lang lieferte der Wasserstofflaser kohärente Strahlung mit der bis dahin kleinsten Wellenlänge im sog. Wernerband (116 nm). Erst Ende der neunziger Jahre änderte sich dies mit dem Röntgenlaser von Rocca. Dieser Laser wird mit extrem ionisiertem Argon betrieben und erzeugt eine stimulierte Strahlung bei 46.9 nm. Im Aufbau gleicht der Röntgenlaser einem koaxialen Gaslaser. Das in einer Kapillare enthaltene Argongas wird durch einen Hochspannungsimpuls vorionisiert und durch einen zweiten stromstarken Puls zu einem Z-Pinch komprimiert. Dabei entstehen sehr hohe Temperaturen, die den erforderlichen Ionisationsgrad erst ermöglichen. Weil in diesem Bereich optische Resonatoren nichts taugen und die Lebensdauer der involvierten Niveaus ohnehin sehr kurz ist, kommt nur das Superstrahlungsprinzip in Frage.

Röntgenlaser:



Während der Vorpuls mit einigen 100 Amp. durch eine übliche Kondensatorentladung erzeugt wird, benötigt man für den Hauptpuls von einigen 10 kA eine hohe Spannung von bis zu 500 kV, die aus einer Quelle mit niedriger Impedanz stammen muss. Nebst einem Marxgenerator, einem Pulstransformator und einer Funkenstrecke wird ein Wasserkondensator von etwa 3 nF verwendet. Dieser besteht aus einem zylindrischen Gefäss mit Reinwasser (ε_r ≈ 80) als Dielektrikum. Bei Erreichen der max. Ladespannung entlädt sich der Wasserkondensator über Funkenstrecke und Laserrohr. Die Verzögerung von wenigen μs zwischen Vor- und Hauptentladung muss sehr sorgfältig eingestellt werden, damit ein Pincheffekt zustande kommt. Die emittierte Laserstrahlung liegt bei 46.9 nm und gehört somit zur weichen Röntgenstrahlung. Weil diese Wellenlänge von Gasen stark absorbiert wird, muss die Strecke bis zum Nachweisdetektor im Vakuum verlaufen. Dies erfordert eine differentielle Pumpstufe und somit einigen Aufwand. Nachgewiesen werden die Röntgenpulse mit einem Photomultiplier mit Fluoreszenzkonvertern oder mit offenen Channelplates. Der Versuch stellt an den Amateur gewisse Anforderungen und ist eigentlich wenig attraktiv, weil der Laserpuls nur als Peak auf dem KO gesehen werden kann. Trotzdem ist es eine Herausforderung, weil sich nicht viele damit rühmen können, zu Hause einen Röntgenlaser zu betreiben.

Fortsetzung folgt...

Gr. zg
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[zeitgenosse]

Nicht zuallerletzt wäre es wünschenswert, wenn z.B. das Vakuum der Laserkammer oder auch die Energie des Laserstrahls elektronisch gemessen werden könnten. Doch selbst semi-professionelle Geräte und Sensoren sind nicht billig - vom Profiequipment des Messtechnikers ganz zu schweigen, so dass sich hier die Möglichkeit des Selbstbaus in bestimmten Grenzen anbietet.

A) Vakuummessung

Die einfachste Variante, ein Grobvakuum (10^3 bis 1 mbar) zu messen, geschieht mit handelsüblichen mechanischen Vakuummetern, darunter dem Bourdon-Vakuummeter (Rohrfeder), dem Kapselfeder- und dem Membranvakuummeter.

Bourdon-Vakuummeter:
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/manometer.jpg

Für das Feinvakuum (1 bis 1e-3 mbar) eignet sich u.a. die Piranimesszelle, für das Hochvakuum (1e-3 bis 1e-7 mbar) werden Ionisationsvakuummeter (darunter die Penningmesszelle und die Bayard-Alpert-Röhre) eingesetzt. Es gibt noch zahlreiche weitere Messverfahren, die hier jedoch nicht ausgebreitet werden.

Einen kurzen Überblick (und die empfehlenswerte Fachliteratur) habe ich seinerzeit vermittelt unter:

http://www.relativ-kritisch.net/forum/viewtopic.php?t=1224

Im Demtröder, Experimentalphysik 1, ist der Vakuumphysik übrigens ein eigenes Kapitel gewidmet.

a) Die Piranimesszelle (Wärmeleitfähigkeitszelle) basiert auf der druckabhängigen Wärmeleitung. Meist wird ein elektrisch beheizter Draht aus Wolfram (1) verwendet, dessen Widerstand bekanntlich von der Temperatur abhängig ist. Der Draht wird auf konstanter Temperatur gehalten und mit einem Thermopaar (2) gemessen; die Stromaufnahme ist ein Mass für die Gasdichte.

Messprinzip nach Pirani:



Bei geringem Druck sind in einer Volumeneinheit weniger Gasmoleküle vorhanden, so dass sich dies auch auf die Glühfadentemperatur auswirkt. Wegen der Nichtlinearität des Messsignals muss eine gasspezifische Eichkurve erstellt werden.

Piranimesszelle (Selbstbau):
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/piranizelle.jpg

Einem Vorschlag von Rapp folgend, kann die Piranimesszelle mit einfachen Mitteln selbst hergestellt werden. Als passendes Gehäuse eignet sich dasjenige eines Schwingquarzes (HC 6 U). Nachdem der Quarz entfernt wurde, wird ein Glühlämpchen mit aufgetrenntem Glaskolben an die Sockelstifte angelötet. Abschliessend wird das Gehäuse mit dem Sockel vakuumdicht verleimt. Im Bereich von 0.1 bis 1 mbar sind damit brauchbare Ergebnisse erzielbar.

b) Etwas aufwendiger gestaltet sich die Herstellung einer Penningmesszelle, mit der Vakua < 1e-3 mbar erfasst werden. Diese Zelle gehört zu den Kaltkathoden-Ionisationsvakuummetern. Die Penningzelle nutzt den druckabhängigen Strom einer Gasentladung zur Messung. Auch hier empfiehlt sich die Aufnahme einer Eichkurve.

Messprinzip nach Penning:



Als Gehäuse wird wieder dasjenige eines Schwingquarzes verwendet. Als Hochspannungsanode (2 kV) für die Gasentladung dient eine Drahtwindung resp. Ringelektrode (2), die an die Sockelstifte angelötet wird. Das Gehäuse selbst dient als Kathode (1) und liegt auf Gerätemasse.

Penningmesszelle (Selbstbau):
http://sites.google.com/site/futurephysics/Home/penningzelle.jpg

Bei niedrigem Druck muss der Elektronenweg erhöht werden, um brauchbare Resultate zu erhalten. Dies geschieht mit einem äusseren Magnetfeld, das die Elektronen auf eine zykloidenförmige Bahn zwingt, so dass sich genügend Stösse mit Gasteilchen ergeben. Seitlich werden deshalb zwei Permanentmagnete ins Gehäuse eingepasst und vakuumdicht verleimt.

B) Energiemessung

Beim Laserstrahl interessiert je nach Anwendung die Wellenlänge, die Pulsdauer und die Energie. Wir beschränken uns abschliessend auf die Energie. Bei intensiven Lasern ist eine kalorimetrische Messung die einfachste Möglichkeit. Mit einem CO2-Laser bspw. lässt sich Wasser in einem Gefäss erwärmen. Aus dem Temperaturanstieg wird dann die Leistung bestimmt. Andere Verfahren verwenden einen Heissleiter in Brückenschaltung.

Ein optisches Messverfahren benutzt eine Photozelle (90 CV), die auch für kurze Pulse geeignet ist. Die Photonenenergie muss aber grösser als die Austrittsarbeit des Kathodenmaterials sein, so dass mit dieser Messmethode vorwiegend UV-Strahlung (Stickstofflaser) detektiert wird. Das integrierte Ausgangssignal (RC-Glied) ist ein Mass für die Energiedichte des Strahls. Auch Photodioden und Photowiderstände sind für bestimmte Spektralbereiche verwendbar. Für den IR-Bereich eignen sich pyrometerische Elemente, wie sie in Bewegungsmeldern anzutreffen sind. Diese sind auf Wellenlängen von 10 μm abgestimmt (der Bereich, in dem die thermische Strahlung von Warmblütlern ihr Maximum besitzt). Solche Detektoren eignen sich somit gut für CO2-Laser.

Mit diesem kleinen Ausblick beende ich das Thema LASER. Weitere Anregungen wie z.B. der Bau eines Gitterspektrometers finden sich im Buch von Rapp (Experimente mit selbstgebauten Lasern) und auch auf dessen Website:

http://www.pulslaser.de/

Gr. zg
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