Der Helium-Neon-Laser - tu- · PDF fileInhalt Die Grundlagen Der Versuchsaufbau Die Erkenntnisse Ein neuer Praktikumsversuch Der Helium-Neon-Laser Fabian Ganss

InhaltDie Grundlagen

Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse

Ein neuer Praktikumsversuch

Der Helium-Neon-Laser

Fabian Ganss

25. Juni 2008

Fabian Ganss Der Helium-Neon-Laser




Die Grundlagen

Der erste He-Ne-Laser

Funktionsweise

Gauÿ'sche Fundamentalmode

Eigenschaften und Anwendungen

Der Versuchsaufbau

Die Erkenntnisse

Gründliche Reinigung

Ein�uss der Resonatorgeometrie

Betrieb mit anderen Wellenlängen

Single-Mode-Betrieb






Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen

I 1960 von Ali Javan, William Bennett Jr. und Donald Herriott

entwickelt

I erster CW-Laser (continuous wave: Dauerbetrieb)

I typische Wellenlängen 632,8 nm (rot), 1152,3 nm und

3392,2 nm






I Gasentladung erzeugt angeregte He-AtomeI He-Atome übertragen Energie auf Ne-AtomeI Ne-Atome gelangen in BesetzungsinversionI stimulierte Emission bewirkt Verstärkung des LichtsI Spiegel bilden Resonator






Gasentladungsröhre: He und Ne im Verhältnis 10:1 bei ca. 100 Pa






Emissionslinien: Aufspaltung durch Spin-Bahn-Kopplung






Übergang Wellenlänge λ [nm] Einsteinkoe�. A [108 s−1] Verstärkung [% m−1]3s2 → 2p1 730, 5 0, 00255 1, 23s2 → 2p2 640, 1 0, 0139 4, 33s2 → 2p3 635, 2 0, 00345 1, 03s2 → 2p4 632, 8 0, 0339 10, 03s2 → 2p5 629, 4 0, 00639 1, 93s2 → 2p6 611, 8 0, 00226 1, 73s2 → 2p7 604, 6 0, 00200 0, 63s2 → 2p8 593, 9 0, 00255 0, 53s2 → 2p9 nicht möglich3s2 → 2p10 543, 3 0, 00283 0, 522s2 → 2p1 1523, 12s2 → 2p2 1177, 02s2 → 2p3 1160, 52s2 → 2p4 1152, 62s2 → 2p5 1141, 22s2 → 2p6 1084, 72s2 → 2p7 1062, 32s2 → 2p8 1029, 82s2 → 2p9 nicht möglich2s2 → 2p10 886, 52s3 → 2p2 1198, 82s3 → 2p5 1161, 72s3 → 2p7 1080, 1






Resonator: normalerweise ein Spiegel hochre�ektierend, der andere

gering transmittierend (Output Coupler genannt)

I planparalleler Resonator: zwei ebene Spiegel

I hemisphärischer Resonator: ein ebener und ein sphärischer

Spiegel

I sphärischer Resonator: zwei sphärische Spiegel

Stabilitätskriterium:

0 ≤ g1 g2 ≤ 1 mit gi = 1− L

Ri

(1)

für R1 =∞ : 0 ≤ L

R2

≤ 1 (2)






Resonanzbedingung für longitudinale Moden:

L = nλn2

= nc

2 νn(3)






inhomogenes Verstärkungspro�l:

∆ν =c

2 L≈ 300 MHz (4)






Gauÿ'sche Fundamentalmode:

I einfachste transversale Mode, die sich im Resonator einstellen

kann

I Verlauf durch Position und Krümmung der Spiegel festgelegt

I Rayleigh-Länge zR : Stelle mit minimalem Krümmungsradius

der Wellenfront

I Taillenbreite w0: Hälfte des minimalen Strahldurchmessers

zR =π w0

2

λ(5)











w(z) = w0

√1 +

(z

zR

)2

(6)

R(z) = z +zR

2

z(7)






Vorteile:

I groÿe Kohärenzlänge

I geringe Divergenz

I hohe Lebensdauer

Nachteil:

I niedrige Leistung

Anwendungen:

I Interferometrie

I Hologra�e













Es stehen vier verschiedene Spiegel zur Auswahl:

I ebene SpiegelI hochre�ektierend: Plane HRI mit 2, 4 % Transmission: Plane 2.4

I sphärische Spiegel (hochre�ektierend)I mit 1000 mm Krümmungsradius: VIS 1000I mit 700 mm Krümmungsradius: VIS 700





Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb

I schon kleine Verluste im Resonator bedeuten groÿe Verluste an

Leistung

I besonders emp�ndlich gegen Verschmutzung sind die

Brewsterfenster

I Betrieb mit anderen Wellenlängen nur im gut gereinigten

Zustand möglich






Röhre sollte möglichst nah am ebenen Spiegel positioniert werden:

1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 20

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0��

��

��

�

�� Fabian Ganss Der Helium-Neon-Laser





Resonatorlänge sollte R

2oder fast R betragen:

4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 06 06 57 07 58 08 59 09 5

1 0 01 0 51 1 01 1 5 ��

��

��

��

��

��

��!��











Linienspektrum der Gasentladung:

5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 7 0 00

2 0 0 0

4 0 0 0

6 0 0 0

8 0 0 0

1 0 0 0 0

1 2 0 0 0

1 4 0 0 0

��

��

��

�

��λ��Fabian Ganss Der Helium-Neon-Laser





Littrow-Prisma: rückseitig verspiegeltes Prisma, Dispersion bewirkt

Selektion











zwei Laserlinien gleichzeitig im sphärischen Resonator:

6 2 8 6 3 0 6 3 2 6 3 4 6 3 6 6 3 8 6 4 0 6 4 2 6 4 40

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

2 5 0 0

3 0 0 0

3 5 0 0

4 0 0 0

��

��

��

�

��λ��Fabian Ganss Der Helium-Neon-Laser





doppelbrechender Kristall: wellenlängenabhängige Drehung der

Polarisationsrichtung, Unterdrückung anderer Linien durch

Re�exionsverluste











überlagerte Spektren der verschiedenen Laserlinien:

6 1 0 6 1 5 6 2 0 6 2 5 6 3 0 6 3 5 6 4 0 6 4 50

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

5 0 0 0

6 0 0 0

7 0 0 0

8 0 0 0

9 0 0 0

��

��

��

�

��λ��

��






6 2 8 6 3 0 6 3 2 6 3 4 6 3 6 6 3 8 6 4 0 6 4 20

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0��

��

��

��

��λ��

��






Etalon:

I Glaskörper mit planparallelen Ober�ächen

I teilweise Re�exion

I zusätzliche Resonanzbedingung im Resonator

I schwingungsfähige Wellenlänge (Mode) abhängig vom Winkel

zwischen Etalon und Strahl






Ausschnitt aus dem inhomogenen Verstärkungspro�l:

0 2 4 6 8 1 0 1 28

1 01 21 41 61 82 02 22 42 62 8

��

��

��

I n d e x nFabian Ganss Der Helium-Neon-Laser




I Wie man den Klassiker unter den Lasern konstruiert.

I Wie man ihn dazu bringt, mit anderen Farben zu lasern.

I Wie man einzelne Moden auswählt, um die Wellenlänge

einzugrenzen und die Kohärenzlänge zu vergröÿern.





Quellen:

I Dr. W. Luhs �Experiment 06 - Helium Neon Laser�, MEOS

I Wikipedia-Artikel �Laser�, �Helium-Neon-Laser�


Documents

Der Helium-Neon-Laser - tu- · PDF fileInhalt Die Grundlagen Der Versuchsaufbau Die Erkenntnisse Ein neuer Praktikumsversuch Der Helium-Neon-Laser Fabian Ganss