Harald Scharf, Tobias Voss
VP2: Farbstofflaser
VP2: Farbstofflaser
Contents
1 Einführung
2 Wie funktioniert ein Farbstofflaser?
2.1 Die Anregungs-Quelle
2.2 Das aktive Medium
2.3 Die Kavität
3 Der Versuchsaufbau
4 Die Ergebnisse
1 Einführung
In diesem VP2-Versuch geht es darum, die Funktionsweise eines
Farbstofflasers nicht nur theoretisch sondern auch durch die
Hands-On-Methode zu begreifen und damit ein wenig herumzuspielen.
Wir haben dabei den vorhandenen Farbstoff (Coumarin 7) in verschiedenen
Lösungsmitteln gelöst und zur Kalibrierung des leider etwas
unzulänglichen Spektral-Analysators auch noch mehrere verschiedene
Filter ausprobiert und uns über die zum Teil bizarren
Resultate ernsthafte Gedanken gemacht.
Nichtsdestotrotz gibt es für Farbstofflaser viele Anwendungen, weil sie
aussergewöhnlich flexibel sind: ihre Wellenlänge kann von
Infrarot bis Ultraviolett durchgetrimmt werden, die Bandbreite der
abgegebenen Strahlung kann extrem schmal eingestellt werden und es
ist möglich, ultrakurze Pulse (im Picosekunden-Bereich) zu
erzeugen. Wegen ihrer relativ geringen Benutzerfreundlichkeit sind
Farbstofflaser noch vorwiegend in der Forschung gebräuchlich.
2 Wie funktioniert ein Farbstofflaser?
Farbstofflaser sind Quellen monochromatischer, kohärenter Strahlung,
bei denen das aktive Medium (eine in einer Kavität eingeschlossene
Lösung eines Farbstoffes) durch eine Blitzlampe oder einen Pump-Laser
angeregt wird.
2.1 Die Anregungs-Quelle
Im vorliegenden Versuch kommt ein gepulster (etwa 3Hz)
Stickstofflaser zur Verwendung, dessen Hauptemissionsliniengruppe bei
337nm liegt. Diese ist mit unserem Spektral-Analysator nicht
messbar, aber die Gruppe bei 679nm ist auf vielen Graphen sichtbar.
Es liegt in der Natur der Dinge, dass dabei die Frequenz des vom
aktiven Medium emittierten Lichtes niedriger ist als die der
Anregungsquelle.
Figure Figure 1: Absorption und Emission beim Laser (schematisch)
2.2 Das aktive Medium
Das aktive Medium
absorbiert die eingestrahlten Photonen und wird dabei aus dem
Grundzustand in einen hochangeregten Zustand versetzt. Von dort
begibt sich das Farbstoffmolekül über nichtstrahlende
Übergänge (z.B. vibronische oder rotationale, thermale) in den
Zustand niedrigster Anregung, bevor es unter Emission von Laserlicht
in einen von vielen nicht-angeregten Zustandänden zurückfällt.
Dadurch erhält man im Spektrum des Lasers einen kontinuierlichen
Bereich von Wellenlängen und nicht einzelne Linien.
Figure Figure 2: Energieniveaus und Übergänge im Farbstofflaser
Bei Einstrahlung von genügend Energie findet eine
Populationsinversion statt, bei welcher die Besetzungsdichte des
oberen Niveaus des Übergangs höher ist als die
des unteren Niveaus, wodurch die stimulierte Emission
wahrscheinlicher wird als die Absorption.
Der Farbstoff ist eine fluoreszierende organische Verbindung in
Lösung, wobei auf die Farbstoffmoleküle in verschiedenen
Lösungsmitteln unterschiedliche Van-der-Waalskräfte wirken, was auch
veränderte Strahlungseigenschaften (z.B. die Wellenlänge des
emittierten Lichtes) zur Folge hat.
In unserem Versuch beschäftigten wir uns ausschliesslich mit dem
Farbstoff Coumarin 7, von Fachleuten gerne auch
3-(2'-Benzimidazolyl)-7-N,N-diethylaminocoumarin genannt,
C20H19N3O2.
Figure Figure 3: Strukturformel von Coumarin 7
Der Farbstoff unterliegt der thermalen und photochemischen
Alterung. Wegen der kurzen Zeitdauer unseres Versuches und der
niedrigen Pulsrate des Anregungslasers waren jedoch keine
Zerfallserscheinungen feststellbar.
2.3 Die Kavität
Die Kavität besteht sinnvollerweise aus zwei Spiegeln, von denen
einer teildurchlässig ist, damit die im aktiven Medium erzeugte
Strahlung austreten kann. Die Spiegel sind notwendig, damit überhaupt
eine Populationsinversion zustande kommt.
Das aktive Medium war bei uns in einer wenige ccm fassenden Küvette
aus Kunststoff enthalten, an deren Oberflächen das Pump-Laser-Licht ein
bisschen streute und damit kleinere Messfehler verursachte.
In anderen Farbstofflasern fliesst die Farbstofflösung in einem
möglichst gleichmässigen Strahl durch die Kavität mit dem
Vorteil, dass der Farbstoff weniger schnell vergammelt.
3 Der Versuchsaufbau
Das Experiment findet in einem bestmöglich abgedunkelten Raum auf
einer Experimentierplatte statt. Der Laserstrahl wird durch einen
Spiegel und eine zylindrische Linse auf die Küvette gelenkt, die
sich in einer Kavität zwischen einem Spiegel und einem
teildurchlässigen Spiegel (Strahlaustritt) befindet. Der
Farbstofflaserstrahl wird fokussiert und tritt durch eine Spaltblende
in den Analysator ein, wo sich ein rotierbares Gitter befindet, mit
dem eine spektrale Analyse für den dahinter befindlichen
Photomultiplier durchgeführt wird. Die Intensität der davon
erzeugten Ladungspulse dient als Y-Eingang für den Plotter,
während die X-Koordinate proportional zum Gitterwinkel ist.
Figure Figure 4: Die Versuchsanordnung
4 Die Ergebnisse
Im Anhang finden sich die von uns gemessenen Spektren. Diese sind
entsprechend Abbildung 5 zu interpretieren.
Der erstaunliche Hysterese-Effekt ist auf Phosphoreszenz des aktiven
Mediums zurückzuführen. Dadurch kann man leider die Graphen nur
qualitativ auswerten.
Die Wellenlängen-Eichung mit Hilfe der Filter ist nur bedingt
möglich, weil diese zum Teil nicht jene Wellenlängen zu
absorbieren scheinen, die sie sollten.
Die verschiedenen Lösungsmittel wirken sich auch nicht so
stark wie erhofft aus.
Trotz bestmöglicher Abdunkelung beeinflusste ferner das Hintergrundlicht
unsere Messung. Dieser Effekt ist aber im Vergleich zum
Phosphoreszenz-Effekt vernachlässigbar.
Figure Figure 5: Ein schematischer Graph
References
- [1]
- Jeff Hecht, the Laser Guidebook, 1992
- [2]
- Birks (ed.), Organic Molecular Photophysics, Vol.1 1973,
AM51
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- Atkins, Molecular Quantum Mechanics, 1970, AM71
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- Reineker, Haken, Wolf (eds.), Organic Moleclar
Aggregates, 1983, Fk379
- [5]
- Herzberg, Spectra of Diatomic Molecules, Sp21
File translated from TEX by TTH, version 2.25.
On 1 Jul 1999, 18:37.