Home | english | Impressum | KIT

Aufbau eines diodengepumpten Festkörperlasers (DPSS-Laser)

Funktionsweise und Aufbau

Der Name "Diodengepumpter Festkörperlaser" verrät schon viel über seinen Aufbau: Es handelt sich um einen Laser, dessen Lasermedium ein Festkörper (in diesem Fall ein Kristall) ist, der mit Hilfe einer Laserdiode optisch gepumpt, also angeregt wird.

Bei unserem Laser handelt es sich um einen Kristall, der häufig für grüne Laserpointer verwendet wird, ein sog. "Neodym-dotierter Yttrium-Orthovanadat" (Nd:YVO4). Um die Laseraktivität im Kristall anzuregen, muss Energie zugeführt werden, man nennt das "Pumpen". In diesem Fall wird der Kristall optisch gepumpt, d.h. eine Laserdiode, die im Infrarotbereich lasert (808nm) und eine hohe Leistung besitzt (200mW), wird auf den Kristall fokussiert. Der Kristall wird daraufhin zur Laseraktivität angeregt und emittiert Laserlicht der Wellenlänge 1064nm. Auch dies liegt im nahen Infrarotbereich des Spektrums. Um nun sichtbares, in diesem Fall grünes Licht zu erhalten, bedient man sich eines Tricks: Das 1064nm-Licht wird in einen zweiten Kristall geleitet, einen sog. "nichtlinearen" Kristall, der die Frequenz eines Teils des eingestrahlten Lichts verdoppeln kann (bzw. seine Wellenlänge halbieren) - an dessen Ende werden schließlich zwei Laserstrahlen emittiert: ein unsichtbarer infraroter mit 1064nm und ein sichtbarer grüner mit 532nm. Dieser zweite Kristall besteht aus "Kaliumtitanylphosphat" (KTP). Wir verwenden für das ganze System einen speziellen Hybridkristall: Hier sind der Nd:YVO4- und der KTP-Kristall bereits direkt zusammengeschaltet. Der Kristall ist außerdem so gefertigt, dass er bereits selbst als Resonator fungiert (d.h., er besitzt teilverspiegelte Flächen, sodass das Laserlicht innerhalb des Laserkristalls mehrfach "hin- und herlaufen" kann und somit verstärkt wird). Es sind also keine externen Spiegel mehr nötig, was den Aufbau des Lasers besonders einfach macht.

Abb. 1 zeigt unseren Aufbau: In einem Halter ist die Pumplaserdiode eingebaut, die von einem Controller angesteuert und in ihrer Leistung variiert werden kann. Ebenfalls direkt an diesen Halter montiert befindet sich ein Objektiv, mit dem das Pumplicht auf den Kristall fokussiert wird. An dessen Ausgang ist unmittelbar ein weiterer, verstellbarer Halter mit dem Laserkristall angebracht. An diesem Halter können außerdem Filter montiert werden: Möchte man ausschließlich das grüne oder das infrarote Laserlicht austreten lassen, so kann der jeweils andere Strahl damit herausgefiltert werden.

 

Aufbau DPSS Laser
Abb. 1: Aufbau unseres DPSS-Lasers

Warum macht man sich aber die Mühe, erst aufwändig einen Kristall mit einem anderen Laser zu pumpen und verwendet nicht gleich einen anderen Laser? Nun, das Laserlicht, das der Kristall emittiert ist in punkto Strahlqualität, also in einigen physikalischen Eigenschaften einer Laserdiode überlegen. Für Laserpointer ist das sicherlich egal, für viele wissenschaftliche Anwendungen aber nicht. Der "große Bruder" des Nd:YVO4 ist beispielsweise der Nd:YAG-Laser, der ganz ähnlich funktioniert. Er hat große Bedeutung in Industrie (Schweißen oder Schneiden von Bauteilen,...), Forschung und Medizin (Augenheilkunde, Tattoo-Entfernung,...). Und bis vor nicht allzu langer Zeit gab es auch noch keine Laserdioden, die grünes Laserlicht emittieren konnten - grün war aber eine beliebte Farbe für Laserpointer. Da die Herstellung in Massenfabrikation für diese Hybridkristalle aber sehr günstig ist, werden sie weiterhin für grüne Pointer verwendet.

Der Hybridkristall ist winzig klein (ca. 1mm breit, 3mm lang), wie man in Abb. 2 erahnen kann. Dieser Kristall ist zum Gebrauch in Laserpointern hergestellt. Aus dem Objektiv auf der jeweils rechten Bildseite tritt die unsichtbare 808nm Pumpstrahlung aus und trifft auf den Kristall. Die linke Aufnahme wurde mit einem Infrarotfilter vor der Fotokamera aufgenommen. Man sieht im Wesentlichen das grüne Laserlicht und etwas grünes Streulicht im Kristall. Für die rechte Aufnahme wurde kein Filter verwendet - CCD-Kameras sind bis ca. 1100nm empfindlich und stellen infrarotes Licht meist als lila Farbton dar. Man sieht im rechten Bild deutlich, wie der ganze Kristall lila leuchtet. Hier wird das  Infrarotlicht eindrucksvoll sichtbar gemacht. Der Infrarotanteil ist so dominant, dass man den grünen Anteil gar nicht mehr erkennen kann (er tritt aber genauso aus wie im linken Bild).

Laserkristall - mit IR Filter fotografiert Laserkristall - ohne IR Filter fotografiert

Abb. 2: Laserkristall in Aktion, fotografiert mit (links) und ohne (rechts) Infrarotfilter vor der Kamera

 

Sicherheit beim Laserbetrieb im Schülerlabor

  • In unserem Aufbau im Schülerlabor ist der Kristall in eine spezielle Halterung eingebaut - zum Einen, um die Justierung zu erleichtern, zum Anderen aus Sicherheitsgründen. Die Pumpdiode ist sehr leistungsstark (bis 200mW!) und ihr Licht ebenfalls unsichtbar - der Aufbau sollte daher so entworfen sein, dass dieses Licht entsprechend abgeschirmt wird.
  • Mit dem Kristall lässt sich eine Leistung von bis zu 15mW für das grüne und infrarote Laserlicht erreichen. Im Schülerlaborbetrieb begrenzen wir die Pumpleistung jedoch soweit, dass wir mit 1mW Ausgangsleistung und niedriger arbeiten.
  • Laien ist vom Nachbau des Aufbaus dringend abzuraten! Die Laserstrahlung von Pumpdiode und Kristall kann schwere Augenschäden verursachen, zur Justierung bei offener Halterung darf nur mit passender Laserschutzbrille gearbeitet werden. Zur Überwachung der Laserstrahlung benötigt man ein spezielles Messgerät, um die Leistung kontrollieren und die Gefahr einschätzen zu können. Daher bitte nicht zuhause nachmachen!