Labb: Fastatillståndslaser

Introduktion

Labbet tar en hel dag. Det är en kombination av PhyWe (MEOS) labbar diodlaser, optisk pumpning, Nd-YAG laser och frekvensfördubbling. Syftet är att lära sig mer om följande fastatillståndsfenomen:

Lasersäkerhet

Diodlaserns infraröda ljus har en våglängd kring 808 nm. Det är synligt bara för att det är så starkt - ungefär 500 mW. Vad man ser skulle vara ungefär 10 000 gånger mer intens om våglängden var lite kortare. Man ska alltså akta sig för att stirra på det vid justering av speglar. Använd infrarödkonverterkortet istället.

Om Nd-YAG staven lasrar, sker det på 1063 nm, och det är helt osynligt. Effekten kan vara så högt som 100 mW, och och man ska alltså även vara försiktig med det. Därför finns det två Spectronika laser goggles med tre coatings mot 808, 1064 och 532 nm.

Mer om lasersäkerhet kan du läsa här.

Synligt ljus från lasrar i klass IIIb får man observera under följande villkor: reflektionen ska vara diffus, det ska vara minst 13 cm mellan ögat och skärmen, och man får inte titta längre än 10 sekunder.

Neodymium-nivåer i YAG

Nd3+-jonen har tre 4f (l=3) elektroner. Enligt Hunds första regel har grundtillståndet total spin så högt som möjligt. Här betyder det att total S=3/2. Hunds andra regel säger att grundtillståndet har det högsta orbitalmomentet av alla tillstånden med S=3/2. Det kan bestämmas på följande sätt. Om den första elektronen har lz=3, har den andra som mest lz=2 och den tredje lz=1. Total Lz är alltså högst 3+2+1=6=L. Grundtillståndets beteckning är alltså 4I9/2 eftersom 2S+1=4, J=L-S=6-3/2=9/2 och bokstavsordningen är SPDFGHI.

De tre 4f elektroner kan befinna sig i många tillstånd, se t ex följande nivåschema av en fri Nd-atom. I fasta tillstånd påverkas nåvåerna dessutom något av kristallfält, men färgen är alltid violett, oavsett om värden är Y3Al5O12 (Nd:YAG i MEOS stav), YVO4 (Casix kristall) eller glas.

Det för laserverkan viktiga metastabila tillståndet är 4F3/2. Övergången till 4I11/2 vid 1064 nm har är långsam, och man kan åstadkomma en inversion genom att pumpa vid 808 nm.

En pdf-fil av bra överhead med spektra osv finns här.

Genomförande

Mät effekt av Aesthete-laserpekaren (670 nm). Är den klass 2 (max 1 mW)? (Kiseldiodens känslighetskurva.) Kolla med polaroid-biten att pekarens ljus är linjärt polariserad.

Diodlasern (A) har stor divergens, som man kan se med IR-detektorkortet. Ställ kollimatorn B (f=6mm) nära framför diodlasern på den optiska bänken. Vrid på strömmen och fokussera på en svart fotokopia. Pappret börjar ryka (ha den inte för nära linser eller speglar), och man förstår att den direkta strålen är farlig för ögat.

Digitalkameran är känslig för infrarött ljus. Därför syns laserstrålningen på bilden som ett starkt blått sken. Detektordiodens diffusor är helt överstrålad.

Bilden visar en uppställning för att mäta diodlaserns effekt. Kollimatorn står så att man får en parallell stråle (fokus långt från linsen). Utan kollektorlins (som på bilden syns bredvid den optiska bänken) har detektordioden en känslighet på ungefär 0,1 A per Watt (se kalibreringsgraf i pärmen).

Jag mätte med bildens uppställning vid 9,5 °C och 900 mA genom lasern en detektorström på 39 mA (februari 2002). Diodenlaserns effekt ligger alltså fortfarande kring 400 mW, ungefär lika stor som vid leveransen.

Undersökning av diodlasern

Mät diodlaserns effekt som funktion av ström vid minst två olika temperaturer. Bestäm lasertrösklerna och "slope efficiency" vid dessa temperaturer ur graferna (gissa diodspänningen). Kolla även att diodlasern fungerar som lysdiod för låga strömmar - ljusintensiteten är då proportionell mot strömmen.

Man kan också mäta diodljusets spektrum. Med hjälp av den lilla OceanOptics spektrometern kan man se hur spektrum förändras vid övergången från lysdiod till laserdiod. Man kan också se att diodens våglängd beror på temperatur. Med den högre upplösningen av MonoSpec50 kan man se laserns diskreta moder: våglängdens ändring med temperatur är diskontinu. Hur starkt är våglängdens beroende på temperatur? På strömstyrka?

Mätning av Nd-absorption

Ställ nu fokusserings linsen med brännvid ca 6 cm nära kollimatorn. Använd nu PIN-dioden som detektor, och ställ den på bänkens andra enda. Anslut den till förstärkaren i laserdiodens kontrollenhet. Mät nu laserintensiteten som funktion av temperatur. Börja med en hög ström. Minska förstärnkningen om detektorn är överstyrd. Ställ sedan Nd:YAG-staven i linsens fokus, och mät transmissionen som funktion av temperatur.

I stället för att ta en massa data för hand, kan man göra en XY-plot på penskrivaren av förstärkarens utgångssignal mot temperatursignalen. Eventuellt kan man kanske använda det digitale oscilloskopet i XY-mode.

Gör sådana grafer vid två strömstyrkor. Bestäm lysdiodens våglängdsberoende på strömstyrka.

Mätning av Nd-fluorescens

Med frekvensmodulering av diodlasern kan man mäta att Nd fluorescerar och bestämma dess relaxationstid.

Nd-laser

Med korrekt och tålmodig justering av Nd:YAG-staven och spegeln ska man kunna få MEOS-uppställningen att lasra på 1064 nm och man ska även kunna få andra harmoniskans gröna ljus vid 532. Själv har jag inte lyckats med det. Det finns för många saker att justera.
Det är mycket enklare att åstadkomma en grön laser med hjäp av Casix moduler. De är sammanklistrade block av Nd:VO4 och en icke-linjär kristall med speglande ytor. Det finns alltså väldigt lite att justera. Det går att få grönt ljus genom att bara lägga diodlasern på rygg, och Casix-modulen på lasern (försiktigt med plastpincett förstås). Här ska man också säkerhetsglasögon på!

Vi har två stycken DPM0102 (1,5x1,5x2,5 mm, $99).

Länkar: