Blitzlampengepumpter Farbstofflaser

Großer Aufwand für ein bisschen Superstrahlung

Dieser bemerkenswerte Eigenbau eines Farbstofflasers wurde von meinem Bruder für ein Schulprojekt 2009 angefertigt.
Das Prinzip des Farbstofflasers ist relativ simpel. Das optisch aktive Medium ist eine Uranin-Methanol-Lösung (Achtung: Methanol ist giftig!), die von einer leistungsstarken Lichtquelle optisch angeregt wird.

Uranin ist ein organischer Farbstoff, der in Textmarkern verwendet wird und den man sehr leicht selbst extrahieren kann. Dazu wurden mehrere Textmarker zerlegt und die mit dem Farbstoff getränkte Zellulose mit Methanol ausgewaschen. Die so gewonnene Farbstofflösung muss während der Laseraktivität ständig durch frische Farbstofflösung erneuert werden, da durch die starke Lichtleistung der Blitzlampe die organischen Moleküle zersetzt werden. Man erreicht das dadurch, dass die Farbstofflösung durch eine Pumpe ständig durch die Laserkapillare umgewälzt wird. Die so resultierende Zirkulation der Farbstofflösung reicht aus um ein „Ausbleichen“ zu minimieren.

Die große Intensität der Blitzlampe regt mehrere Farbstoffmoleküle elektronisch an (optisches Pumpen). Nach dem Pumpvorgang befinden sich die Moleküle in einem metastabilen Zustand, von wo sie durch induzierte oder spontane Emission in den Grundzustand zerfallen können. Durch die Resonatorbedingung dominiert aber in einem Laser gerade die induzierte Emission, weshalb es durch das Lasermedium zu einer Lichtverstärkung kommt. Bevorzugt wird Licht mit einer bestimmten Wellenlänge, Phasenbedingung und Richtung abgestrahlt.

von Wikipedia

Die Glasscheibe auf der einen Seite, die sowohl als Barriere für die Farbstofflösung als auch zur Auskopplung der Laserstrahlung dient, und der 100% Spiegel auf der gegenüberliegenden Seite der Laserkapillare, bilden mit dem laseraktiven Medium den Resonator, der die entstehende Strahlung richtet und verstärkt. Da die Uranin-Lösung eine sehr hohe Verstärkung aufweist, ist der Laser dazu fähig „Superstrahlung“ zu emittieren. Die Lichtverstärkung ist in diesem Betriebsmodus so hoch, dass Laserlicht ohne Spiegel (oder nicht korrekt justierte Spiegel wie in unserem Fall) erzeugt und vom Laser emittiert werden kann. Die Inbetriebnahme des Lasers ist deshalb auch unter schlechten Bedingungen relativ einfach und für einen Hobbybastler zugänglich. Man sieht allerdings an den weiter unten folgenden Bildern, dass der Superstrahler eine sehr schlechte Strahlqualität aufweist.

Die Schaltung funktioniert folgendermaßen: Über das Hochspannungsnetzgerät werden die zwei in Reihe geschalteten 40uF Bosch-Kondensatoren aufgeladen. Haben sie die nötige Ladespannung erreicht, kann die Triggerfunkenstrecke über ein externes Triggersignal gezündet werden. Die gespeicherte elektrische Energie der Kondensatoren kann sich nun über die Blitzlampe entladen, was in einem grellen Lichtblitz resultiert.

Damit eine hohe Pumpeffizienz erreicht wird, muss das Licht der Blitzlampe mit einem elliptischen Spiegel auf die Glaskapillare, die das laseraktive Medium enthält, fokussiert werden. Dazu wurde ein elliptischer Hohlspiegel aus einer Spraydose gefertigt. Die leere Spraydose wurde vorsichtig aufgebohrt und die Endkappen abgesägt. Anschließend musste sie aufwendig poliert und zum Schluss durch Quetschen in eine elliptische Form gebracht werden. Die Laserröhre und die Blitzlampe liegen im Optimalfall in den Brennpunkten der Ellipse, was jedoch in der Praxis nicht ganz so leicht zu verwirklichen ist, weil die Exzentrizität und die Brennpunkte der Ellipse schwer zu messen sind. Eine ungefähre Anordnung genügt jedoch vollkommen.

Anordnung der Laserkapillare (untere Glasröhre) und Blitzlampe (obere Glasröhre). An den Seiten sind die Spiegelhalter aus Teflon zu sehen mit jeweils einem Stutzen um die Farbstofflösung in die Röhre befüllen zu können. Alles wurde auf einer stabilen Plexiglasplatte verbaut.

Die Blitzlampe besteht aus einem Quarzglasrohr mit Elektroden an den Enden und einem Öffnungsstutzen für die Vakuumpumpe. Mit einer Drehschiebervakuumpumpe (Vorvakuumpumpe) wird während des Laserbetriebs ein konstanter Druck von ca. 10 Millibar erzeugt. Dieser Druck reicht aus um bei einer Spannung von etwa 5kV eine Entladung zu zünden. Wurde die Entladung gezündet, entlädt sich die gespeicherte elektrische Energie der Kondensatoren mit einem hellen Lichtblitz über die Blitzlampe. Dabei wird intensive UV-Strahlung frei, da Stickstoff bei einer Anregung der äußeren Hüllenelektronen vor allem im nahen UV-Bereich Licht ausstrahlt. Um die Augen vor dem grellen Licht zu schützen, empfiehlt es sich während der Entladung der Kondensatoren nicht direkt in die Blitzlampe zu blicken.

Farbstofflaser mit angeschlossenen Bosch Hochvolt Kondensatoren und der Trigger-Funkenstrecke, mit der die Kondensatoren über die Blitzlampe entladen werden kann. Die Trigger-Funkenstrecke wurde in ein Plexiglasgehäuse gepackt, damit die explosionsartige Entladung nicht so laut ist.

Nahaufnahme der Triggerfunkenstrecke. Das Prinzip ist recht einfach. Zwei Schrauben mit jeweils einer Mutter mit abgerundetem Kopf stehen sich gegenüber und erzeugen durch die angelegte Spannung ein elektrisches Feld. Das Feld ist aber nicht stark genug, damit ein Überschlag stattfinden kann. Erst wenn an dem zusätzlichen Pin (unten) eine Spannung angelegt wird, wird eine Entladung angeregt und die Funkenstrecke „zündet“.

Blick auf den Spiegelhalter und der Stirnseite der Blitzlampe. Der Spiegelhalter wurde aus einem dreieckigen Stück Plexiglas gefertigt und mit drei Schrauben auf einen Dichtungsring gespannt. Mit den drei Schrauben ist es möglich, den Auskoppelspiegel (Quarzglas) in x- und y-Richtung zu verkippen und so den Spiegel zu justieren.

Ansicht des Lasers von der Seite. Zu Sehen sind die Spiegelhalter aus Teflon (wegen der besseren Beständigkeit gegen Methanol), die Laserröhre, die Blitzlampe und die Stutzen um die Anordnung mit dem in Methanol gelösten Farbstoff zu befüllen.

Einer der ersten erfolgreichen „Schüsse“ des Farbstofflasers. Man sieht sehr schön, dass die Blitzlampe funktioniert und sehr hell ist. Leider erzeugt der Laser keinen klaren und scharfen Spot, was auf eine schlechte Justierung der Spiegel zurückzuführen ist. Die grünliche Strahlung, die man auf der Leinwand sieht, ist mit großer Wahrscheinlichkeit Superstrahlung. Die Blitzlampe und die Laserkapillare ist von einem elliptischen Hohlspiegel umgeben um möglichst viel Licht auf die Laserröhre zu fokussieren.

Übrigens: Der Physiklehrer war so begeistert von diesem Projekt, dass er ohne zu Zögern eine glatte Eins vergab.

Veröffentlicht am November 6, 2012 in Laser, Physik, Selbstbau Farbstofflaser und mit , , , , getaggt. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink. Hinterlasse einen Kommentar.

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