30  Nichtlineare Optik

30.1  Lernziele

Erst seit der Erfindung des Lasers stehen Lichtquellen genügender Intensität zur Verfügung, um nichtlineare, optische Effekte zu demonstrieren. Dieser Versuch soll sowohl Einblicke in die moderne Lasertechnik, als auch eine Einführung in die nichtlineare Optik geben. Es wird dazu ein mit Halbleiterlaserdioden gepumpter Nd-YAG Laser aufgebaut. Seine infrarote Strahlung wird mit einem optisch nichtlinearen Kristall (KTP) frequenzverdoppelt, so daß grünes Licht entsteht. Außerdem kann man durch Einbringen eines sättigbaren Absorbers (LiF₂) die Güte des Resonators intensitätsabhängig ändern und somit den Laser zum Pulsen bringen (Q-switch). Der Umgang und die Justage optischer Bauelemente stehen bei diesem Versuch im Vordergrund. Darüber hinaus soll der Umgang mit optischen Messgeräten (Leistungsmesser, Wellenlängenmesser) gelernt werden.

30.2  Lerninhalte

1. Funktionsweise und Bilanzgleichungen des Lasers (Spontane und induzierte Emission, Drei- und Vierniveau Laser, Besetzungsinversion, Verluste, Laserbedingung, Photonendichte, stationärer Laser)
2. Optische Resonatoren (Typen, Güte, Verstärkungsfaktor, Stabilität, Moden)
3. Halbleiterlaser (Funktion, Typen)
4. Nd-YAG Laser (Funktion, Pumpen)
5. Laserschwelle, Spiking (Bilanzgleichungen)
6. Nichtlineare Optik (c⁽²⁾, c⁽³⁾ Effekte, Frequenzmischung, Frequenzverdopplung, optisch parametrischer Verstärker, sättigbarer Absorber)
7. Leistungsmessgeräte, Wellenlängenmessung, optische Detektoren
8. Laserschutz

30.3  Aufgaben

30.3.1  Erster Versuchstag

1. Inbetriebnahme der Halbleiterlaserdiode, Funktion des Steuergerätes, Betrachten des Strahls mit Laserschutzbrille und Indikatorkarte, Einsetzen und Justieren des Kollimators, Wellenlängenmessung, Leistungsmessung mit Leistungsmessgerät und Photodiode
2. Bestimmen der Laserschwelle I_S, und des Laserkennfeldes (I,T), P(l,T)
3. Vergleich Leistungsmessgerät, Photodiode
4. I und T für konstante Ausgangsleistung bei verschiedenen Wellenlängen
5. Absorption von Nd-YAG
6. Lumineszenzlebensdauer von Nd-YAG
7. I und T für konstante Wellenlänge (siehe 5) bei verschiedenen Ausgangsleistungen

30.3.2  Zweiter Versuchstag

1. Aufbau und Justage des Nd-YAG Lasers mit 2% Spiegel, verschiedene Moden
2. Bestimmung der Leistung des Nd-YAG Lasers für verschiedene Wellenlängen bei konstanter Pumpleistung (siehe 4)
3. Bestimmung der Leistung des Nd-VAG Lasers für verschiedene Pumpleistungen (siehe 7, 5, 9)
4. Spiking von Nd-YAG
5. Aufbau und Justage des Nd-YAG Lasers mit 0.02% Spiegel
6. Einbau des KTP Kristalls, Justage des frequenzverdoppelten Lasers, Moden, Wellenlänge
7. Bestimmung der Leistung des Nd-YAG Lasers für verschiedene Pumpleistungen (siehe 10.)
8. Bestimmung der frequenzverdoppelten Leistung in Abhängigkeit von der Nd-YAG Leistung (siehe 10)
9. Einsetzen des sättigbaren Absorbers, Justieren und Bestimmung von Höhe und Häufigkeit der Pulse (Q-switch)

30.4  Literatur

Kneubühl, F.K.

Laser

Boyd, W.

Nonlinear Optics

Steele, E.L.

Optische Laser in der Elektronik

Lauterborn, W.

Kohärente Optik

Bergmann Schäfer

Bd. Optik

Hecht, E.

Optik

Paul, H.

Nichtlineare Optik

Klimonowitsch, J.L.

Laser und nichtlineare Optik

Baldwin, G.C.

An Introduction to Nonlinear Optics

Koechner, W.

Solid-State Laser Engineering

Yariv, A.

Introduction to Optical Electronics

Ebeling, K.J.

Integrierte Optoelektronik

Brunner, W.

Lasertechnik

Mills, L.D.

Nonlinear Optics

30.5  Hinweise

• Laserschutzvorschriften beachten, Schutzbrille(n) tragen
• Beim Ein- und Ausschalten des Steuergerätes die Drehknöpfe an den linken Anschlag drehen
• Optiken bei Bedarf nach Absprache mit dem Betreuer mit Methanol reinigen