3 Verwendete Messgeräte und Materialien

In diesem Kapitel werden die verwendeten Messmethoden, Geräte und Materialien beschrieben. Die Beschreibung der Laserdynamik bedarf der genauen Kenntnis der Resonatorparameter, der zeitlichen Entwicklung des Spektrums, der transversalen Modenstruktur der Intensität und der Ausgangsenergie. Auf die spektralen und thermischen Eigenschaften der vibronischen Lasermedien Ti:Saphir und Alexandrit wurde in Kapitel 2.2 explizit eingegangen, deshalb sollen hier nur technische Details aufgeführt werden. Gleiches gilt für das Kohärenzradar, dessen Messprinzip in Kapitel 2.1 ausführlich behandelt wurde.

3.1 Laserkristalle

Für die in dieser Arbeit beschriebenen Untersuchungen wurden die vibronischen Festkörper-Lasermedien Alexandrit und Ti:Saphir verwendet. Die Wirtsmaterialien zeichnen sich durch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und Bruchfestigkeit aus. Sie eignen sich daher zur Realisierung leistungsstarker Breitbandlaser. Beide Lasermedien werden nach den Czochralski-Verfahren gezogen und sind kommerziell mit sehr guter Kristallqualität erhältlich. Die maximalen Dotierungsdichten liegen für Ti:Saphir bei 0,24 wt%, für Alexandrit bei 0,6 at%. Alexandrit ist ein aufgrund des besonderen Termschemas und der daraus resultierenden starken Abhängigkeit der Verstärkung von der Temperatur und der Inversion sehr interessantes Lasermedium.

Mit Alexandrit wurden im transversalen Grundmode cw-Ausgangsleistungen von 2 W [Sa88*], im freilaufenden, Blitzlampen gepumpten Betrieb Ausgangsleistungen von über 150 W [Wa92] erzielt. Mit Ti:Saphir wurden im transversalen Grundmode und longitudinalen Einzelmode cw-Ausgangsleistungen von 2 W [Sp01] erzielt, im freilaufenden, Blitzlampen gepumpten Betrieb Ausgangsleistungen von 15 W [El01].

3.1.1 Ti:Saphir

Der zur Verstärkungsschaltung und zur qcw-Anregung verwendete Ti:Saphir-Stab besaß eine Länge von 20 mm und einen Durchmesser von 5 mm (Zuchtrichtung b). Die Endflächen waren für E||c im Brewster-Winkel geschnitten, die Mantelfläche war angeraut. Die Dotierungsdichte betrug laut Hersteller 0,095 wt% bei einem FOM-Wert (figure of merit) von mehr als 200. Der FOM-Wert ist für Ti:Saphir definiert als der Quotient aus dem Absorptionswirkungsquerschnitt a₅₁₄ bei 514 nm und dem Absorptionswirkungsquerschnitt a₈₂₀ bei 800 nm (FOM= a₅₁₄/ a₈₀₀). Die Absorption um 800 nm resultiert aus dem Einbau von Ti⁴⁺-Ionen in das Wirtsgitter. Diese Absorption wirkt sich negativ auf die Effizienz aus. Für cw-Anwendungen wie die Femtosekunden-Laser werden deshalb kurze Kristalle (1 mm -3 mm) mit hoher Dotierung und FOM-Werten von über 1000 verwendet. Die Materialparameter für Ti:Saphir sind im Anhang tabellarisch zusammengefasst.

3.1.2 Alexandrit

Der Alexandrit-Kristall, der zur Verstärkungsschaltung eingesetzt wurde, besaß eine Länge von 20 mm und einen Durchmesser von 5 mm (Zuchtrichtung c). Aufgrund des niedrigen Emissionswirkungsquerschnitts (~10^-21 cm²) wurde eine hohe Dotierungsdichte gewählt. Die Dotierungsdichte betrug laut Hersteller 0,5 at%. Die Endflächen waren für E||b im Brewster-Winkel geschnitten, die Mantelfläche war angeraut.

Der Blitzlampen gepumpte Alexandrit-Stab besaß eine Länge von 80 mm und einen Durchmesser von 4 mm. Die Dotierungsdichte betrug 0,3 at%. Die Endflächen wiesen eine breitbandige Antireflexbeschichtung auf, die Mantelfläche war angeraut. Die Qualität des Kristalls war wider Erwarten nicht sehr gut, über die Stablänge hinweg (Zuchtrichtung c) waren Unterschiede in der Dotierung zu erkennen (Farbverläufe).

Die Materialparameter für Alexandrit sind im Anhang tabellarisch zusammengefasst.

3.2 Resonatorspiegel

Für die hier beschriebenen Untersuchungen wurden Resonatorspiegel verschiedener Reflexionsgrade und Krümmungsradien verwendet. Ein Teil der Spiegel für Ti:Saphir wurde an der TU Berlin beschichtet, die Substrate wurden von der Firma Laseroptik Garbsen GmbH bezogen. Der größere Anteil der Ti:Saphir-Spiegel und die Spiegel für Alexandrit wurden von der Firma Laser Components bezogen. Alle Spiegelsubstrate bestanden aus BK7-Glas.

Die spektrale Abhängigkeit der Reflexionsgrade wurde mit dem Absorptionsspektrometer Cary 5E mit einer spektralen Schrittweite von 1 nm und einer Integrationszeit von 0,5 s gemessen. Unter Vernachlässigung der Absorption und der Reflexion an den breitbandig entspiegelten Flächen ergibt sich der Reflexionsgrad gemäß R=1-T. In Abbildung 3.1 und 3.2 sind die Reflexionsverläufe der verwendeten Spiegel dargestellt.

Abb. 3.1 gemessene Reflexionsverläufe der verwendeten Spiegel für Ti:Saphir (rote Linie: Wellenlänge der maximalen Verstärkung)

Abb. 3.2 gemessene Reflexionsverläufe der verwendeten Spiegel für Alexandrit (roter Bereich: Wellenlängen der maximalen Verstärkung)

3.3 Spektrometer

Die Spektren der Ti:Saphir-Laser und des Blitzlampen-gepumpten Alexandrit-Lasers wurden mit dem Spektrometer SpectraPro-300i der Acton Research Corporation gemessen. Das abbildende Spektrometer mit einer Brennweite von 300 mm verfügte über 3 Gitter (300 g/mm, 600 g/mm, 1800 g/mm) und einen Bildverstärker mit einer regelbaren Torzeit von 5 ns bis 1 ms und einer regelbaren Verzögerung bis 1 ms. Der Bildverstärker wurde auf ein CCD-Chip mit 576 x 768 Pixel abgebildet. Mit Hilfe Rechner gestützter Bildverarbeitung wurden die Spektren ausgelesen und verarbeitet. Zusätzlich konnten mittels eines Verzögerungsgenerators auch Verzögerungen über 1 ms realisiert werden. Das spektrale Auflösungsvermögen betrug 0.1 nm für ein 1200 g/mm-Gitter bei 485 nm (Herstellerangaben). Zur Aufnahme der Gesamtspektren und der zeitlich aufgelösten Spektren wurde das Laserlicht auf eine Streuscheibe vor dem Eintrittsspalt fokussiert. Dies diente der Verringerung der räumlichen Kohärenz des Laserlichts und der Erfassung aller transversalen Moden. Zur Messung der in x (x||E) örtlich aufgelösten Spektren wurde das Laserlicht nicht auf die Streuscheibe fokussiert, sondern über einen Umlenkspiegel so positioniert, dass nur ein Teil des transversalen Profils in x vom Einrittsspalt erfasst wurde.

Die Spektren des verstärkungsgeschalteten Alexandrit-Lasers wurden mit einem Spektrometer der Firma Scientific Measurement Systems gemessen. Das Spektrometer mit einer Brennweite von 156 mm verfügte über ein 1200 g/mm-Gitter. Das spektrale Auflösungsvermögen betrug 0.6 nm. Die Belichtungszeit der SCCD-Zeilenkamera mit 2048 Pixeln konnte zwischen 23 ms und 1,6 s variiert werden.

3.4 Messung der zeitlichen Entwicklung der Intensität

Die zeitliche Entwicklung der Intensität der Laserstrahlung wurde mit Silizium-Photodioden der Firma Silicon Sensors (SSO-PDQ0.25-5) gemessen. Die Anstiegszeit wird vom Hersteller mit 0,4 ns bei einer Sperrspannung von 20 V und einer Lichtwellenlänge von 850 nm spezifiziert. In Abbildung 3.3 ist die spektrale Abhängigkeit der Empfindlichkeit dargestellt. Die detektierten Zeitverläufe wurden mit dem Digital-Oszilloskop der Firma Tektronix TDS 684 B aufgenommen und abgespeichert. Die analoge Bandbreite des Eingangsverstärkers betrug 1 GHz, die maximale Abtastfrequenz 5 GHz. Im Fall der Verstärkungsschaltung wurden die Zeitverläufe des transmittierten Pumppulses und des Laserpulses von einer Diode detektiert, um Laufzeiteffekte ausschließen zu können.

Abb. 3.3 Spektrale Empfindlichkeit der verwendeten Silizium-pin-Dioden

3.5 Aufnahme der transversalen Modenstruktur

Die transversalen Strahlprofile der verschiedenen Laser wurden mit einer Silizium-CCD-Kamera der Firma Philips Imaging Technology aufgenommen. Das CCD-Modul FTM 800 wurde mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 61 dB spezifiziert. Der CCD-Chip besaß die Abmaße von 6,4 mm x 4,8 mm bei einer lateralen Auflösung von 768 x 576 Pixeln. Die Belichtungszeit pro Halbbild betrug 19,7 ms mit einer Totzeit von 300 µs. Das CCD-Signal wurde im Frame-Transfer ausgelesen und mit 8 Bit digitalisiert.

Zur Bestimmung der Strahlqualität (vgl. Kapitel 2.4.2) des Laserlichts wurde die Kaustik bestimmt. Dazu wurden die Strahlprofile an 40 Positionen mit Abstand von 2 cm um die durch eine Linse einer Brennweite von 300 mm erzeugte Strahltaille gemessen. Der Strahlradius wurde aus dem 86,5%-igen Energieeinschluss bestimmt (86%-Radius). Diese Bestimmung bietet sich für asymmetrische Strahlprofile guter Strahlqualität (M²<2) an.

Zur Aufnahme der Strahlprofile der Einzelpulse eines Pulszugs wurde das linear polarisierte Laserlicht durch eine Pockels-Zelle und einen nachfolgenden Polarisator geführt. Die an die Pockels-Zelle angelegte Hochspannung bewirkte eine Veränderung der Polarisation des transmittierten Lichts. Der Polarisator wurde so justiert, dass ein Minimum in der Transmission erreicht wurde. Durch einen mit einem Verzögerungsgenerator zeitlich verschiebbaren Spannungseinbruch (Torzeit etwa 10 µs) wurde das System transparent, Einzelpulse konnten detektiert werden.

3.6 Energiedetektoren

Die Messung der Energien im Puls (qcw) und im Pulszug (Verstärkungsschaltung) wurden mit pyroelektrischen Detektoren ED 200 der Firma Gentec durchgeführt. Die Integrationszeit der Detektoren betrug 1,7 ms, die maximal auflösbare Repetitionsfrequenz 200 Hz. Der Fehler bezüglich der Energiekalibrierung betrug 10%, deshalb sind alle Werte um 10% heruntergesetzt. Alle Energiewerte entstanden aus der Aufnahme von 500 Werten, aus denen der Mittelwert und die Standardabweichung bestimmt wurde.

3.7 Kohärenzradar

In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Optik der Universität Erlangen-Nürnberg stand ein Kohärenzradar-Aufbau zu Testzwecken zur Verfügung. Die im Aufbau existierende Lichtquelle bestand aus einer Leuchtdiode in der Brennebene einer Konvexlinse mit einer Zentralwellenlänge des Spektrums von 840 nm, einer Bandbreite von 34 nm und einer Ausgangsleistung von ca. 10 mW. Diese Lichtquelle wurde durch breitbandig emittierende Festkörperlaser ersetzt. Der Laserstrahl wurde durch eine Zerstreuungslinse aufgeweitet.

Vom CCD-Chip der Kamera (768 x 576 Pixel) wurden die Signale von 512 x 512 Pixeln per Hardware nach der Kontrastmethode (siehe Kapitel 2.1) ausgewertet. Die Echtzeitauswertung erlaubte das kontinuierliche Verfahren des Objekts durch die Referenzebene (Dynamisches Kohärenzradar). Die Ortsauflösung des Verschiebetischs betrug 100 nm bei einer Reproduzierbarkeit von 300 nm. Die Software des angeschlossenen Rechners erlaubte auch sogenannte Overlay-Messungen. Dabei werden die maximalen Kontraste und die zugehörigen Orte der ersten Messung gespeichert. Werden bei der nachfolgenden Messung unter veränderten Bedingungen (Beleuchtung, Apertur, Verfahrgeschwindigkeit) größere Kontraste erreicht, werden die Kontrastwerte und die zugehörigen Orte überschrieben. Durch dieses Verfahren wird die Vermessung von schwach streuenden und stark geneigten Bereichen des Objekts ermöglicht.