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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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Figure 5: Ein schematischer Graph

References

[1]
Jeff Hecht, the Laser Guidebook, 1992
[2]
Birks (ed.), Organic Molecular Photophysics, Vol.1 1973, AM51
[3]
Atkins, Molecular Quantum Mechanics, 1970, AM71
[4]
Reineker, Haken, Wolf (eds.), Organic Moleclar Aggregates, 1983, Fk379
[5]
Herzberg, Spectra of Diatomic Molecules, Sp21


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On 1 Jul 1999, 18:37.