Nd-YAG passive Q-switched

[wernere]

Hi!

Seit einigen Jahren wälze ich Literatur zum Forschungs-Laserthema, zahllose Dissertationen usw.
Bin seit einigen Monaten dran, einen Dioden-gepumpten Dye-Laser zu bauen. Bin schon recht weit, aber die Leistung ist halt viel zu gering für mein Ziel.

Für ein verrücktes DIY-Forschungsprojekt brauche ich eine Laserquelle, die mir um möglichst vernünftiges Geld (aber nicht aus Gebrauchtteilen!!!) in einem HochVakuum-Rezipienten einen Breakdown in Helium erzeugt.
Es geht dabei um eine spezielle Idee rund um Plasmadichtemessung, in Anlehnung an die Thomson Scattering Methode.
Es sollen als kurze Impulse erzeugt werden, mit möglichst hoher Energiedichte.
Das Strahlprofil ist dabei egal, die Bandbreite, selbst die Wellenlänge sehe ich anfangs noch als "flexibel".

Meine Idee war gleich einen Nd-YAG zu bauen und mit Q-Switching die Impulslänge kurz zu halten, und den Energiegehalt des Pulses hoch zu bringen. Später draus einen TS Laser draus zu machen, der dann über einen großen Wellenlängenbereich tunable sein soll. Aber active Q-Switching erscheint mir recht aufwendig.

Daher meine Frage:
Hat jemand von Euch schon selbst einen passive Q-switched Nd-YAG (wen möglich Diodengepumpt) gebaut und dabei die Teile selbst neu zugekauft?
Es scheint mir recht einfach, alte Laser umzubauen. Aber ich will die Kiste komplett selbst aufbauen.
Beim Aussuchen den Komponenten scheitere ich bisher total - die Auswahl ist zu groß!
Welche Refelctivity beim Auskoppelspiegel,
Welchen Nd-YAG rod in welchen Abmessungen und welchem Nd Gehalt?
Welche ... usw ...
Welchen Q-Switch Kristall mit welcher Initial Transmission, usw ...

Für Tips wäre ich sehr dankbar!
Werner

Anbei ein Zwischendurchfoto vom Aufbau meines Dye-Lasers (noch nicht fertig - Resonator fehlt noch, Littrow-Gitter ist noch nicht in place, ...)

[undineSpektrum]

Hallo,

nach dem Studium Deines Profils muss ich schon sagen, dass Du ein umfangreiches Wissen angesammelt hast, was den Selbstbau von Lasern angeht.
Ja, ich selber habe schon die unterschiedlichsten Arten von Festkörperlasern im nicht-stationären Betrieb zusammengebaut, insbesondere Rubin-Laser und habe es mit hilfe einer passiven Güteschaltung erreicht einen Air-Breakdown zu erzeugen.... ein kleiner Funke an der Stelle wo die Strahltaille des durch eine Optik ( Fokussierung durch Hohlspiegel ) gebündelten austretenden Lichtstrahles liegt.
Hauptsächlich beschäftige ich mich mit der Theoretischen Physik der Laseremission - insbesondere der Simulation der nichtlinearen Dynamik der Lichtemission von Festkörper- und Halbleiterlasern...
Für den Rubinlaser habe ich den Farbstoff Kryptocyanin, sowie Malachitgrün u.ä. verwendet. Es geht auch mit Chlorophyll - aber der zersetzt sich sehr schnell und die Pulse reichen für einen Air-Breakdown leider nicht aus.
Wichtig für die Erzeugung von Laserpulsen ist eine möglichst starke Dauerstrichemission / hohe Pumpleistung bei gleichzeitiger Erzeugung starker Verluste in der Cavity.... Einstellbare Verluste bei dem Aufbau einer passiven Güteschaltung durch Farbstoffe lassen sich mit einer "Keilförmigen Küvette" und etwas herprobieren mit der Lösungskonzentration beim Rubin erzeugen... Die große Unbekannte ist dabei - ähnlich wie bei einer Dauerstrichemission - die tatsächlich erzeugte Inversion im Laserkristall, denn die lässt sich nicht direkt messen.

Der Nd-YAG-Laser ist ein sehr einfach aufgebauter Festkörperlaser - als Kristalle zur Güteschaltung dienen da häufig Stücke aus ausgedienten Laserkristallen - intra-cavity angeordnet. In der Tat ist da DPSS die richtige Wahl.
Derzeit versucht es ein Kollege von mir, diese Techniken auch auf den Rubinlaser zu übertragen.
Was hast Du genau vor? Wenn der Rezipient mit Helium gefüllt ist kann ich mir zwar einiges denken....
Zur Energieerzeugung sind bei diesen Leistungen ( auch bei erfolgreichem Q-Switch) die Strahltaillen noch viel zu breit und die Energiedichte zu niedrig... -> Kernfusion.

Zur Erzeugung von Laserpulsen durch Q-Switch ist das Buch von Robert Nemec "Rubinlaser ins Selbstbau und Versuch" sowie ein neueres Buch von Thomas Rapp "Experimente mit selbstgebauten Lasern" geeignet.

Grüße,

Undine

[wernere]

Danke für die lobendenden aufmunternden Worte!

Also wie gesagt: Es geht um Plasmadichtemessung - aber kein statisches Plasma.
Keine Angst, ich will damit kein kleines NIF nachbauen
Sollte sich das als gangbarer Weg erweisen, wäre ich aber schon stolz darauf, wenn sich meine Idee ein ITER Forscher anschaut - die können das sicher gebrauchen

Beim "Thomson Scattering" wird das vom Laser im Plasma gestreute Licht gemessen. Dazu braucht man extrem teure und aufwendige Spektrometer und kann nur an bestimmten Messpunkten (abhängig von der Messgeometrie) messen.
Die derzeitigen Methoden erfordern riesige Linsen, weil die scattered energy so gering ist und haben nur eine geringe zeitliche und örtliche Auflösung.

Meine Idee soll dieses Problem auf ähnliche Art lösen und geht dennoch einen ganz anderen Weg.
Helium verwende ich nur, damit ich ein billiges einheitliches Plasma aus einem inertes Gas habe. Stickstoff ist aufgrund des höheren Molekluargewichts schwieriger in einer Turbomolekularpumpe zu pumpen (es kommt leicht zur Überhitzung). Das ist mit Helium einfacher. Wasserstoff ginge auch, aber der ist brennbar Kein unnötiges Risiko.

Das Problem das ich beim Aufbau eines solchen Lasers habe ist, dass er so "einfach" ist, dass ihn keiner genau detailliert beschreibt.
Die Infos die ich bisher gefunden habe klingen ausnahmslos so wie "Fahrzeug mit 4 Rädern drann, rote Farbe drauf, geht 300 - ein Ferrari halt".

Allein die Auswahl des Rod und des saturable Absorbers!! Von den Spiegeln gar nicht zu sprechen!
Ich lass mir jetzt mal einen Katalog von Altechna zusenden - notfalls beginne ich einfach mit irgend einer Kombination (das hab ich auch beim Vakuum so gemacht - hat super geklappt).
Als Pumpdiode hab ich mir einen 100W QCW Bar mit ca. 804nm gekauft. Werde aber wahrscheinlich auf die üblichen 808nm CW umsteigen.

Bei mir kommt dann noch am dicken Ende das Problem des Einkoppeln in den Rezipienten, aber da mach ich mir erst Sorgen, wenn es in der Luft gefunkt hat!
Ich denke, dass es schwierig sein wird, in eine Faser einzukoppeln, wenn die Leistung zu hoch ist - aber wir werden sehen ...

Hast Du Literaturtipps dazu?

Grüße aus Wien,
Werner

[undineSpektrum]

Hallo lieber Werner,

vielen Dank nochmals für die Beschreibung... ja, Thomson-Streuung sagt mir etwas... im Grunde ist auch das ( ähnlich wie die Raman-Streuung ) ein nichtlinearer Effekt der in der "normalen" Optik nicht vorkommt.
Das intensive Laserlicht macht dann wieder vieles Sichtbar, was in der linearen Optik keinen Platz gefunden hat - eben aus Zeiten von Fresnel und Faraday wo Licht den Gesetzen der linaeren Optik folgt. Zum Nachweis solcher schwachen Intensitäten sind neben den großen Aperturen die Du beschreibst die sog. Sekündärelektronenvervielfacher oder auch Fotomultiplier zum Nachweis einzelner Quanten und deren Energieanalyse geeignet.
Die gibt´s auch als Avalanche-Elemente im Halbleiterbereich.

Zurück zur Lichtquelle - Deinen (geplanten) Pulslaser.
Ja, Du gehst ja schon richtig vor - erstmal erzeugung eines Dauerstrichlasers und dessen Optimierung. Da sind auch Deine Dioden als optische Pumpen eine gute Basis. Ich gehe inzwischen beim Rubin desselben weg.
Aber Achtung : Laserdioden für einen DPSS müssen eine Temperaturregelung haben, um schnell eine definierte Temperatur zu erreichen, weil die Wellenlänge einer Laserdiode ( das ist bei jeder Laserdiode so ) nach dem Einschalten "wandert" - das zeigt schon jeder einfache Gitterspektrograph oder Monochromator. Dadurch schwächt sich die Inversion effektiv ab, wenn der Peak aus dem Verstärkungsprofil des Ions in dem Kristall "rauswandert"... beim Rubin ist das durch das Floureszenzleuchten sogar nachweisbar.
Alternativ sind Leuchtdioden in dem passenden Wellenlängenbereich mit größerer spektraler Bandbreite.
Wir nutzen diese auch für den Rubin - nur ist die Wellenlänge zum Pumpen da leicht zu beschaffen.
Zitat anfang...

Das Problem das ich beim Aufbau eines solchen Lasers habe ist, dass er so "einfach" ist, dass ihn keiner genau detailliert beschreibt.

Zitat ende...
Richtig, das ist zutreffend.
Allerdings hat dies auch zur Begründung, dass derartige Lasersysteme schon in der Vergangenheit nicht vorkamen - der einzige Laser bei dem die Q-Switch-Technologie zur Anwendung kam war/ist der Rubinlaser und nach ähnlichem Muster aufgebaute Laser.
Die meisten "Pulslaser" ( ein klassischer Rubinlaser mit Blitzlampe wie von Maiman entwickelt ) ist eigentlich gar kein "Pulslaser" sondern ein "kurz eingeschalteter Dauerstrichlaser", was sich bei einer fotoelektrischen Messung der Laserleistung P(t) deutlich sichtbar zeigt.
Viele praktisch angewandte Laser sind cw-Laser oder auch als "Pulslaser" eigentlich quasi-cw-Laser... so dass eine Beschreibung des Laserprozesses als Gleichgewichtszustand ausreicht. Obwohl der Q-Switch schon 1961 durch Hellwarth beschrieben, ist die starke Störung dieses exakt beschreibbaren, trivialen Gleichgewichtszustandes in der Laserliteratur bis heute weitgehend beherrschend - wie in fast allen anderen Gebieten der Physik auch. Pulslaser sind ein "spezielles Kapitel" über die es sehr wenig gibt - von dem praktischen Aufbau bei verschiedenen Lasertypen bis hin zur beschreibenden Theorie.
Literatur : In deutscher Sprache gibt es fast nur die Bücher meines Kollegen Hermann Haken aus Stuttgart - dieses sind aber verhältnismäßig ausführlich und zeigen erste Gehversuche auf einen sonst völlig unbekannten Gebiet. Auffällig ist immer dass viele Bücher dazu keine exakten Lösungen des zeitverhaltens der Strahlungsleistung von Pulslasern in verschiedenen Situationen angeben können, weil das mathematische Instrumentatrium zu deren Bestimmung noch in der Entwickelung ist.
Ein lesenswertes Buch - das erste und einzige dieser Art - ist das Buch von C.W.Weiss und R.Vilaseca : "Nonlinear Dynamics of Lasers Band1" , Wiley & Sons 1991... dort wird die entstehung von Laserpulsen nach verschieden verfeinerten Theorien simuliert.
Des weiteren habe ich noch einen Lehrgang der Lasertechnik hier in Form einer losen Blattsammlung, wo sich mit Pulslasern und deren Güteschaltung beschäftigt wird.
Auch im Klassiker von Fritz Kurt Kneubühl und Werner Sigrist wird auf die 1970 entwickelte Formel von Haken bezüglich Pulslaser und der Bestimmung der Impulsdauern aus den Laserparametern eingegangen.

Für Pulslaser ist vielleicht wichtig zu wissen, dass es neben der Towensschen Anschwingbedingung als "Bedingung für eine Laseroszillation oder auch "erste" Laserschwelle" die sog. zweite Laserschwelle gibt, die ist eine Bedingung für verschiedene Laserparameter bei welcher eine Dauerstrichemission von einer Pulsfolge abgelöst wird - die Konzepte sind dabei aber noch strittig. ->Bestimmung der sog. Feigenbaumzahl etc.
Das sind aber in der Regel keine "Riesenimpulse", geben aber einen Hinweis darauf, welche Parameter in der Praxis verändert werden müssen, damit Laserpulse entstehen können. Und das sind eben 1.) große Inversion des Mediums ( meinstens beschrieben als "hohe Pumpleistungen" in Form eines vielfachen der Schwellpumprate ) und 2.) Resonatoren mit schlechter Güte. d.h. kleiner Halbwertszeit für das Strahlungsfeld... und die passive Güteschaltung ist ein solcher Fall. Allerdings ist die Impulsentstehung dabei "selbstorganisiert" und setzt einen Betrieb als Dauerstrichlaser voraus - und dessen Wirkung auf die Absorbtion eines Farbstoffes.
Aber : Das geht mit den Mitteln des Hobbykellers ...
Ich lese ja auch, Du hast eine Littrow-Anordnung zur Verfügung....
Ich schaue gerne mal nach, was über Pulslaser in meiner "Lose-Blatt-Sammlung" noch so zu finden ist, da ich denke, dass hier viele Formeln erstmal nicht weiterhelfen und Du ja auch schon einiges an Fachliteratur gesammelt und gesichtet hast .... oder?

Grüße ,

Undine

[wernere]

Eine Alternative wäre auch, einen Ti:Sapphire Kristall mit einer Diode zu pumpen. Da hab ich einige Artikel dazu gefunden, die das mit double-sided pumping durch 1W Dioden machen. Nur ist die Zielwellenlägen dort bei 490 nm. Bei den verfügbaren Wellenlängen (447, 458, 477) funktioniert das nur sehr mäßig. Ausserdem muss es ein sehr hochwertiger Kristall sein (FOM:> 400!!) - sowas hab ich noch nicht gefunden.
Wenn ich den dann Q-Switche ...?

Ursprünglich dachte ich mir, dass die Ausrichtung eines Lasers der im sichtbaren gepumpt wird und der auch im sichtbaren abstimmbar ist, leichter sein wird. Der Nd:YAG erfordert für jede Anpassung das Detektor-Plättchen. Mühsam und gefährlich, bei den Leistungen um die es geht.

Ein wirklich schwieriges Thema ...
Aber vielleicht findet sich ein anderer Kollege, der täglich damit zu tun hat??