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InhaltDie Grundlagen
Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
Der Helium-Neon-Laser
Fabian Ganss
25. Juni 2008
Fabian Ganss Der Helium-Neon-Laser
InhaltDie Grundlagen
Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
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
Ein neuer Praktikumsversuch
Fabian Ganss Der Helium-Neon-Laser
InhaltDie Grundlagen
Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
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
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Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen
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
Fabian Ganss Der Helium-Neon-Laser
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Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen
Gasentladungsröhre: He und Ne im Verhältnis 10:1 bei ca. 100 Pa
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Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen
Emissionslinien: Aufspaltung durch Spin-Bahn-Kopplung
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Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen
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
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Ein neuer Praktikumsversuch
Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen
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)
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Resonanzbedingung für longitudinale Moden:
L = nλn2
= nc
2 νn(3)
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inhomogenes Verstärkungspro�l:
∆ν =c
2 L≈ 300 MHz (4)
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Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen
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)
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Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen
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w(z) = w0
√1 +
(z
zR
)2
(6)
R(z) = z +zR
2
z(7)
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Der erste He-Ne-LaserFunktionsweiseGauÿ'sche FundamentalmodeEigenschaften und Anwendungen
Vorteile:
I groÿe Kohärenzlänge
I geringe Divergenz
I hohe Lebensdauer
Nachteil:
I niedrige Leistung
Anwendungen:
I Interferometrie
I Hologra�e
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Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
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
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Ein neuer Praktikumsversuch
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
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Ein neuer Praktikumsversuch
Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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��
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Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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 ��������
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Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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Ein neuer Praktikumsversuch
Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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
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Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
Littrow-Prisma: rückseitig verspiegeltes Prisma, Dispersion bewirkt
Selektion
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Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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Ein neuer Praktikumsversuch
Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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
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Ein neuer Praktikumsversuch
Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
doppelbrechender Kristall: wellenlängenabhängige Drehung der
Polarisationsrichtung, Unterdrückung anderer Linien durch
Re�exionsverluste
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Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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
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Ein neuer Praktikumsversuch
Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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���
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Ein neuer Praktikumsversuch
Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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
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Ein neuer Praktikumsversuch
Gründliche ReinigungEin�uss der ResonatorgeometrieBetrieb mit anderen WellenlängenSingle-Mode-Betrieb
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
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I n d e x nFabian Ganss Der Helium-Neon-Laser
InhaltDie Grundlagen
Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
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.
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Der VersuchsaufbauDie Erkenntnisse
Ein neuer Praktikumsversuch
Quellen:
I Dr. W. Luhs �Experiment 06 - Helium Neon Laser�, MEOS
I Wikipedia-Artikel �Laser�, �Helium-Neon-Laser�
Fabian Ganss Der Helium-Neon-Laser