Laserdiode

[kai-martin knaak]

On Fri, 02 Jul 2004 17:58:52 +0200, Josef Fischer wrote:

irgendwo auf der Abbildungsebene im Auge: Ich bin kurzsichtig und wenn ich
die Brille abnehme, sehe ich alles unscharf, auch den Laserpointerpunkt,
nicht aber die Speckles im Laserpointerpunkt: Die sehen noch genau gleich
aus. Ich habs gerade extra ausprobiert. Das ganze scheint auch von dem
betstrahlten Untergrund relativ unabhängig zu sein.

Und noch besser: Du kannst an den Speckles erkennen, dass Du eine Brille
brauchst. Wenn Du ohne Brille den Kopf bewegst, laufen die Punkte wie
blöde gegen die Bewegungsrichtung. Mit Brille bewegen sie sich
uneinheitlich. Und bei Weitsichtigkeit laufen sie mit der
Bewegungsrichtung. Wenn sie mit Brille koordiniert marschieren, ist
wahrscheinlich eine neue Linse fällig.

---<(kaimartin)>---
(Hoffentlich habe ich jetzt nicht die bewegungsrichtungen vertauscht...)

--
Kai-Martin Knaak
kmkn@tem-messtechnik.de
gpg-key: http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=kai-martin&op=index&exact=on

 

[MaWin]

kai-martin knaak <kmkn@familieknaak.de> schrieb im Beitrag <pan.2004.07.02.23.55.56.902479@familieknaak.de>...

Hmm. Das kann eigentlich nur heißen, dass der Laser jetzt lieber in
höheren Transversalmoden abstrahlt --> Doughnut-Mode höherer Ordnung :°)

Also: Das Muster des defekten Halbleiterlasers ist das Muster von Multimoden,

also ist der garantiert nicht mehr TEM00 oder TEM01, sondern aehnelt eher
mehreren leicht gegeneinander geneigten sich ueberlagernden guten Lasern.

Alu sollte deswegen gute Speckles geben.

Speckles gibt es sobald schon ein bischen kohaerentes Licht da ist,
ob single mode oder multi mode ist egal,
aber die Oberflaeche muss geeignet sein (eher kristallin als matt)

das Licht sollte aus ganz leicht unterschiedlichen Richtungen
kommend sich auf der Netzhaut überlagern.

Das waere die physikalische Erklaerung von Speckles, aber "partially
coherent" bezog sich auf die Lichtquelle. Die meinen damit multi mode
denk ich.

Allerdings braucht man für Holographie einen Strahl
mit deutlich dickerer Strahl-Taille.

Das war nicht das Problem, die Aufweitung gelingt einfacher als bei HeNe.

zusammen mit eklatanter Frequenzdrift durch schwankende Temperatur und
Strom. Dazu kommt zwar noch der Jitter durch das Rauschen der Stromquelle.
Mit Peltier-Element und Präzisions-Stromquelle bekommt man das in den Griff.

Du meinst das ist die Ursache, warum bei 30 sec Belichtung mit 3mW Halbleiter-
Laser 650nm kein Bild entstand, das bei demselben Aufbau in 10 sec mit 5mW 635nm
HeNe (leidlich muss ich leider sagen) gelang ?
Weil in den 30 sec die Freqeunz und damit die Position der Interferenze der
Lichtwellenberge und -taeler so weit wandert, das das Bild verschwimmt ?
Zu beheben durch TempReglung und Stromreglung ?
Schade das man es nicht mehr ausprobieren kann, weil es das empfindliche Agfa
Holographiepapier nicht mehr gibt. Auf der anderen Seite sind selbst 100mW
inzwischen erschwinglich...

So, wir wissen aber immer noch nicht, ob Heins nun nur Speckles oder das
multi-mode-Bild einer wie oben zerschossenen Laserdiode sieht.
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
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Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.

 

[Carsten Kurz]

MaWin schrieb:

Du meinst das ist die Ursache, warum bei 30 sec Belichtung mit 3mW Halbleiter-
Laser 650nm kein Bild entstand, das bei demselben Aufbau in 10 sec mit 5mW 635nm
HeNe (leidlich muss ich leider sagen) gelang ?

Ich glaube nicht, daß Du mit einer Wald-und-Wiesen-Diode und Standard
Stromquelle überhaupt sowas wie Kohärenzlänge hinkriegst.

Wäre interessant, mal ein 'Kontaktholo' damit herzustellen. Über ein
paar mm geht das vielleicht.

Schade das man es nicht mehr ausprobieren kann, weil es das empfindliche Agfa
Holographiepapier nicht mehr gibt.

Es gibt günstiges und gutes Material aus Russland.

- Carsten

--
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Carsten Kurz fax: +49 (0)2234 601887
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[kai-martin knaak]

On Sat, 03 Jul 2004 17:01:01 +0200, Carsten Kurz wrote:

Ich glaube nicht, daß Du mit einer Wald-und-Wiesen-Diode

Auch auf die Gefahr mich zu wiederholen: Die ganz normalen, billigen
roten Laserdioden mit einigen mW Leistung, die man bei Reichelt und
Roithner bekommt, arbeiten im oberen Strombereich Single-Mode. Das habe
ich nicht nur gehört, oder vagen Datenblättern entnommen, sondern nutze
es an meinem Arbeitsplatz. Genaugenommen bauen wir Geräte, die unter
anderem die Single-Mode-Eigenschaft messen

und Standard Stromquelle

Was ist schon "Standard"? Wenn die Stromquelle ein eigenes Gerät ist und
als Dioden-Stromtreiber entwickelt wurde, ist Stabilität kein Problem.
Ansonsten kochen diese Geräte auch nur mit Wasser. Sie messen den
aktuellen Strom über einen Shunt-Widerstand und nutzen das Signal in der
Rückkopplung einer Treiber-Endstufe bestehend aus einem FET und einem
Operationsverstärker. Der Großteil der restlichen Schaltung besteht aus
Sicherheits-Schaltungen und Bedien-Elementen, die das Gerät narrensicher
werden lassen -- schnelle Strombegrenzung, verzögerter Einschaltvorgang,
Anpassung an verschiedene Diodenpolung, Filter gegen Netzspitzen
undsoweiter.

Wenn es auf Frequenz-Stabilität ankommt ist eine Regelung auf die durch
die integrierte Photodiode gemessene Leistung eher ungünstig.

Ein extrem primitiver Stromtreiber, bestehend aus einem passenden
Widerstand und einem Akku ist übrigens in Bezug auf Kurzzeit-Stabilität
nur schwer zu schlagen ;-)

---<(kaimartin)>---
--
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[kai-martin knaak]

On Sat, 03 Jul 2004 13:14:39 +0000, MaWin wrote:

Also: Das Muster des defekten Halbleiterlasers ist das Muster von
Multimoden, also ist der garantiert nicht mehr TEM00 oder TEM01, sondern
aehnelt eher mehreren leicht gegeneinander geneigten sich ueberlagernden
guten Lasern.

Also Zebrastreifen?
Ich dachte, es wären konzentrische Kreise.
Es gibt nicht nur die TEM-Moden, die sich in mehr oder weniger vielen
nebeneinander liegenden Flecken äußern. Das sind die Hermite-Gauss
Moden. Dazu kommen noch die Laguerre-Gauss Moden, die im Grunde die
Erweiterung des Hermite-Konzepts ins Komplexe sind.

Eben habe ich eine gute Website dazu gefunden:
http://departments.colgate.edu/physics/research/optics/oamgp/gp.htm
insbesondere diese Illustration zeigt, wie ein Kringel sich aus der
Überlagerung von zwei "normalen" TEM-Moden entstehen kann:
http://departments.colgate.edu/physics/research/optics/oamgp/figeqs.jpg

Du meinst das ist die Ursache, warum bei 30 sec Belichtung mit 3mW
Halbleiter- Laser 650nm kein Bild entstand, das bei demselben Aufbau in 10
sec mit 5mW 635nm HeNe (leidlich muss ich leider sagen) gelang ? Weil in
den 30 sec die Freqeunz und damit die Position der Interferenze der
Lichtwellenberge und -taeler so weit wandert, das das Bild verschwimmt ?

Jupp. Genau so meinte ich das.

Zu beheben durch TempReglung und Stromreglung ? Schade das man es nicht
mehr ausprobieren kann, weil es das empfindliche Agfa Holographiepapier
nicht mehr gibt. Auf der anderen Seite sind selbst 100mW inzwischen
erschwinglich...

Die Leistungsdioden leuchten aber im Infraroten, wo das Photopapier nicht
mehr so richtig empfindlich ist. Außerdem sind die erschwinglichen Dioden
mit 100mW im Zweifelsfall Multimode-Dinger, auf halbem Weg zum
Leucht-Balken.

So, wir wissen aber immer noch nicht, ob Heins nun nur Speckles oder das
multi-mode-Bild einer wie oben zerschossenen Laserdiode sieht.

Ach ja. Das OP gibt es ja auch noch
Er schreibt etwas von "den tollsten Interferenzmustern". Das dürften
ziemlich sicher Speckles sein, denn die haben hohen Kontrast und wandern
und bewegen sich ganz anders als man es von Taschenlampenlicht gewöhnt
ist. Ein Multimode-Strahl sieht dagegen langweilig aus.
Sein Hauptproblem besteht darin, dass ihm nicht klar war, dass er eine
Kollimationslinse braucht, wenn er einen kollimierten Strahl quer durchs
Labor schicken will. Aber das wurde ja schon mehrfach bemerkt --- Schade,
dass er sich nicht wieder gemeldet hat.

---<(kaimartin)>---
--
Kai-Martin Knaak
kmkn@tem-messtechnik.de
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[Rolf Bombach]

kai-martin knaak wrote:

Die Kohärenzlänge eines typischen HeNe liegt bei einigen Hundert Metern.

Kaum. Der typische HeNe läuft auf >=3 longitudinalen Moden.
Die Ne-Verstärkungsbandbreite ist durch den Dopplereffekt
etwa 1.2 GHz breit. Die Kohärenzlänge ist damit wenige
cm bis dm. Single-Mode HeNe sind aufwändig, teuer
(Faktor 10 oder so) und eher selten. Sie benötigen
elektronische Regelung der Cavitylänge und polarisations-
abhängige Photodioden und möglichst isotopenreines Neon
(Ne-20) und und und.

--
mfg Rolf Bombach

 

[Rolf Bombach]

Michael Eggert wrote:

Hm die minimale Bandbreite ist gegeben durch die Länge des Resonators,
die Güte der Spiegel, die Verstärkung und die Lebensdauer des
angeregten Zustands bis zur spontanen Emission.

Die natürliche Lebensdauer eines angeregten Farbstoffmoleküls
ist einige Pikosekunden. Die Verstärkungsbandbreite mehrere
Nanometer. Trotzdem kann man Farbstofflaser bauen/kaufen mit einer
Bandbreite von <1 MHz und Kohärenzlängen im Kilometerbereich.
Been there, done that.
Ist der Laser erst mal logitudinal single mode spielt auch
die Güte der Spiegel keine Rolle mehr, wir haben ein aktiv
entdämpften Schwingkreis, dessen Güte in erster Näherung
unendlich ist.

--
mfg Rolf Bombach

 

[Michael Eggert]

Rolf Bombach <rolfnospambombach@bluewin.ch> wrote:

Hi!

Hm die minimale Bandbreite ist gegeben durch die Länge des Resonators,
die Güte der Spiegel, die Verstärkung und die Lebensdauer des
angeregten Zustands bis zur spontanen Emission.

Die natürliche Lebensdauer eines angeregten Farbstoffmoleküls
ist einige Pikosekunden.

Oops, sorry, die Lebensdauer war doch nicht direkt drin.

Die Verstärkungsbandbreite mehrere
Nanometer. Trotzdem kann man Farbstofflaser bauen/kaufen mit einer
Bandbreite von <1 MHz und Kohärenzlängen im Kilometerbereich.
Been there, done that.

Klar, das bestreite ich doch am wenigsten

Ist der Laser erst mal logitudinal single mode spielt auch
die Güte der Spiegel keine Rolle mehr,

Aber hallo, und sogar quadratisch!

wir haben ein aktiv
entdämpften Schwingkreis, dessen Güte in erster Näherung
unendlich ist.

Und in zweiter Näherung kann mans nachrechnen (...got the t-shirt)
)

Bei einem passiven Resonator der Länge l mit Brechungsindex n ergibt
sich ein freier Spektralbereich von

f_sr = c / 2 n l

und mit der Reflektivität R durch die Resonatorgüte eine
Halbwertsbreite der einzelnen Moden von

f_cav = f_sr (1-R) / (pi sqrt(R)).

Das ist jetzt die Halbwertsbreite des nackten Resonators. Für einen
Laser in eben diesem Resonator, mit Leistung P und Frequenz f_laser
ergibt sich nach Schawlow-Townes eine Linienbreite von mindestens

f_linie = 2 pi h f_laser (f_cav)^2 / P

Siehe auch S.230 in
Meschede; "Optik, Licht und Laser"; Leipzig 1999 Teubner, ISBN
3-519-03248-1

Gruß,
Michael.

 

[Michael Eggert]

Rolf Bombach <rolfnospambombach@bluewin.ch> wrote:

Hi!

Single-Mode HeNe sind aufwändig, teuer
(Faktor 10 oder so) und eher selten. Sie benötigen
elektronische Regelung der Cavitylänge und polarisations-
abhängige Photodioden und möglichst isotopenreines Neon
(Ne-20) und und und.

Das meinte ich mit "kommt auf die Zielgruppe an" und erklärt, warum
manche hier eben Angaben der Kohärenzlänge von wenigen dm (begrenzt
durch longitudinal multimodig) oder mehrere 100m (singlemodig,
begrenzt durch Schawlow-Townes) finden.

Gruß,
Michael.

 

[Carsten Kurz]

kai-martin knaak schrieb:

Auch auf die Gefahr mich zu wiederholen: Die ganz normalen, billigen
roten Laserdioden mit einigen mW Leistung, die man bei Reichelt und
Roithner bekommt, arbeiten im oberen Strombereich Single-Mode. Das habe
ich nicht nur gehört, oder vagen Datenblättern entnommen, sondern nutze
es an meinem Arbeitsplatz. Genaugenommen bauen wir Geräte, die unter
anderem die Single-Mode-Eigenschaft messen

Und was bedeutet das jetzt bitte in Bezug auf die Kohärenzlänge?

Solche simplen Aufbauten dürften bestenfalls das erreichen, was Gabor
mit seinen Gaslampen hingekriegt hat.

- Carsten




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[MaWin]

Rolf Bombach <rolfnospambombach@bluewin.ch> schrieb im Beitrag <40e7dcf6_3@news.bluewin.ch>...

kai-martin knaak wrote:

Die Kohärenzlänge eines typischen HeNe liegt bei einigen Hundert Metern.

Kaum. Der typische HeNe läuft auf >=3 longitudinalen Moden.
Die Ne-Verstärkungsbandbreite ist durch den Dopplereffekt
etwa 1.2 GHz breit. Die Kohärenzlänge ist damit wenige
cm bis dm. Single-Mode HeNe sind aufwändig, teuer
(Faktor 10 oder so) und eher selten. Sie benötigen
elektronische Regelung der Cavitylänge und polarisations-
abhängige Photodioden und möglichst isotopenreines Neon
(Ne-20) und und und.

Also, wenn ich nun deine und Kai-Martins Aussagen zusammenfasse,

heisst das: Ein extrem temperatur- und extrem stromgeregelter
Halbleiterlaser ist fuer Holographie WESENTLICH besser geeignet
(echt single mode, Kohaerenzlaenge sehr lang, also
Abbildungsvolumen kein Problem) als ein fuer Holographie
normalerweise angebotener HeNe Laser (TEM00, >20cm Kohaerenzlaenge,
aber offenbar nicht wirklich single mode weil sie keine
Roehrenlaengenregelung haben, obwohl in den Anzeigen oft
'single mode' steht).

Das widerspricht zwar allem was ich bisher gehoert habe, aber gut.
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Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.

 

[Michael Eggert]

"MaWin" <me@privacy.net> wrote:

Hi!

Also, wenn ich nun deine und Kai-Martins Aussagen zusammenfasse,
heisst das: Ein extrem temperatur- und extrem stromgeregelter
Halbleiterlaser ist fuer Holographie WESENTLICH besser geeignet
(echt single mode, Kohaerenzlaenge sehr lang, also
Abbildungsvolumen kein Problem)

Eine typische DFB-Diode (mit schmalbandigen Interferenz-Filtern
(Bragg-Gittern) als "Spiegel") läuft per se singlemodig. Typische
Bandbreiten liegen im Bereich 1..5MHz so bei 10mW, das ist die rein
_optische_ Bandbreite. Durch Strom- und Temperaturschwankungen
schwabbelt die Frequenz dann aber hin und her, ca 10GHz/K und ca
1GHz/mA.

Ich hatte mal eine Ansteuerung für Temperatur und Strom aufgebaut, mit
Bandgap-Referenz, LT1028 Operationsverstärker, FET-Treiber, Shunt,
ordentlicher Stromversorgung und Masseführung. Ein üblicher Telekom-
Diodenlaser lief damit auf weniger als 10MHz (über Sekunden) und
weniger als 100MHz (über Stunden) stabil.

Das war dann allerdings mitsamt Laser (fasergekoppelt), Netzteil,
Anzeigen und Sicherheitsschaltungen ein komplettes 19"-Gehäuse. Mit
zwei-Widerständen-und-ein-Transistor-Ansteuerungen aus Laserpointern
halt nicht vergleichbar.

als ein fuer Holographie
normalerweise angebotener HeNe Laser (TEM00, >20cm Kohaerenzlaenge,
aber offenbar nicht wirklich single mode weil sie keine
Roehrenlaengenregelung haben, obwohl in den Anzeigen oft
'single mode' steht).

Vielleicht transversal single mode, ich glaub das hängt von der Form
der Spiegel ab. Bei einer "billigen" (Melles Griot) Röhre ohne
Stabilisierung hab ich auch mal den netten Effekt gesehen, daß da zwei
Moden unterschiedlicher Polarisation am laufen waren und sich so alle
5 Sekunden abwechselten.

Gruß,
Michael.

 

[kai-martin knaak]

Hier, bei den Elektronik-Spezialisten möchte man vielleicht die
Lasertreiber eher selber bauen statt die Euros Tausender-weise bei
irgendwelchen High-Tech-Apotheken zu versenken. Dazu gibt es eine SEHR
empfehlenswerte Website:

und Standard Stromquelle

Wer Präzisions-Stromquellen für Diodenlaser selbst bauen will, der
könnte sich an den Schaltungen Australischen Quantenoptiker orientieren.
http://optics.ph.unimelb.edu.au/atomopt/electronics/#Current
Die dort vorgestellten Schaltungen sind eng verwandt mit den Stromquellen,
die im MPQ in Garching erfolgreich verwendet werden und sind gut erprobt.

Die anderen Treiber für Peltier- und Piezo-Element erscheinen mir auch
sehr vernünftig

---<(kaimartin)>---

--
Kai-Martin Knaak
kmkn@tem-messtechnik.de
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[kai-martin knaak]

Hallo Rolf!

Kaum. Der typische HeNe läuft auf >=3 longitudinalen Moden.

Ja, wie schon in der Antwort auf Mawin angedeutet, hatte ich ein etwas
verzerrtes Bild vom "typischen" HeNe-Laser.

Die
Ne-Verstärkungsbandbreite ist durch den Dopplereffekt etwa 1.2 GHz breit.
Die Kohärenzlänge ist damit wenige cm bis dm. Single-Mode HeNe sind
aufwändig, teuer (Faktor 10 oder so) und eher selten.

Es sei denn, man hat im Interferometer-Geschäft zu tun. Da wäre eine
Kohärenzlänge im dm-Bereich in vielen Fällen das Ende der Show.

---<(kaimartin)>---
--
Kai-Martin Knaak
kmkn@tem-messtechnik.de
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[Rolf Bombach]

Michael Eggert wrote:

Hm die minimale Bandbreite ist gegeben durch die Länge des Resonators,
die Güte der Spiegel, die Verstärkung und die Lebensdauer des
angeregten Zustands bis zur spontanen Emission.

Ist der Laser erst mal logitudinal single mode spielt auch
die Güte der Spiegel keine Rolle mehr,

Aber hallo, und sogar quadratisch!

wir haben ein aktiv
entdämpften Schwingkreis, dessen Güte in erster Näherung
unendlich ist.

Und in zweiter Näherung kann mans nachrechnen (...got the t-shirt)
)

Bei einem passiven Resonator der Länge l mit Brechungsindex n ergibt
sich ein freier Spektralbereich von

f_sr = c / 2 n l

und mit der Reflektivität R durch die Resonatorgüte eine
Halbwertsbreite der einzelnen Moden von

f_cav = f_sr (1-R) / (pi sqrt(R)).

Die Formel könnte man jetzt mit ein paar konkreten
Zahlen zum Leben erwecken. Bei irgendwelchen praxisnahen
Rs und Längen kommt so ungefähr 1 MHz raus, also bereits
un-entdämpft (sorry, blödes Wort) haben wir Werte, die
sich gerade so in der Praxis des Laserbetriebs erreichen
lassen.

Das ist jetzt die Halbwertsbreite des nackten Resonators. Für einen
Laser in eben diesem Resonator, mit Leistung P und Frequenz f_laser
ergibt sich nach Schawlow-Townes eine Linienbreite von mindestens

f_linie = 2 pi h f_laser (f_cav)^2 / P

Au weia. Das ist _sehr_ theoretisch, so Phasenfluktuationen
aufgrund der Photonenstatistik. Was so ein Photon pro
Sekunde im Vergleich zur Laserleistung ausmacht. Vergiss es.
Gibt was im Mikrohertz-Bereich.
Weit vorher wird dir die mechanische und thermische
Stabilität des Aufbaus einen Strich durch die Rechnung
machen. Auch wenn du unverspiegelte Glasplatten als
"Spiegel" verwendest, spielt das für die Bandbreite
keine Rolle _in der Praxis_. Das meinte ich damit.
(Zum Entsetzen der Physiker hatte ich einen Kopfhörer
an die Photodiode gehängt und konnte so einige Quellen
von mechanischen Schwingungen ausfindig machen ;-)).
Dass rein theoretisch rund 12 (!) Grössenordnungen darunter
andere Limiten auftreten, mag Theoretiker interessieren.

Siehe auch S.230 in
Meschede; "Optik, Licht und Laser"; Leipzig 1999 Teubner, ISBN
3-519-03248-1

Auch im Demtröder (ebenfalls entsetzt ob des Kopfhörers)
auffindbar.

--
mfg Rolf Bombach

 

[Rolf Bombach]

Michael Eggert wrote:

Ich hatte mal eine Ansteuerung für Temperatur und Strom aufgebaut, mit
Bandgap-Referenz, LT1028 Operationsverstärker, FET-Treiber, Shunt,
ordentlicher Stromversorgung und Masseführung. Ein üblicher Telekom-
Diodenlaser lief damit auf weniger als 10MHz (über Sekunden) und
weniger als 100MHz (über Stunden) stabil.

Das ist erstaunlich gut.

als ein fuer Holographie
normalerweise angebotener HeNe Laser (TEM00, >20cm Kohaerenzlaenge,
aber offenbar nicht wirklich single mode weil sie keine
Roehrenlaengenregelung haben, obwohl in den Anzeigen oft
'single mode' steht).

Vielleicht transversal single mode, ich glaub das hängt von der Form
der Spiegel ab. Bei einer "billigen" (Melles Griot) Röhre ohne
Stabilisierung hab ich auch mal den netten Effekt gesehen, daß da zwei
Moden unterschiedlicher Polarisation am laufen waren und sich so alle
5 Sekunden abwechselten.

Ich denke auch, dass die mit single mode einfach TEM00 meinen.
Die stabilisierten erkennt man am Preis, 1000+ Euro oder so.
MIt guten Nerven kann der ausdauernde Bastler aber auch selber
was hinkriegen. Oftmals reicht eine Heizfolie direkt am Glas,
ein Polarisationsstrahlteiler, ersatzweise zwei Glasplättchen,
2 Photodioden und einige Opamps. Im Netz sind sicher Bauanleitungen
zu finden. Geht natürlich nur mit nicht polarisierten Lasern.

Insbesondere kurze HeNes lasern auf recht wenigen Moden.
Mit der Aufwärmung des Glasrohrs fahren dann diese Moden
unter der Glockenkurve des Verstärkungsprofils durch. Neue
kommen, alte gehen, jeweils zwei aufeinanderfolgende sind
senkrecht aufeinander polarisiert. Bringt einem zum Wahnsinn,
wenn irgendwo eine Glasplatte als Strahlteiler verwendet
wird; fast vollständige Modulation des reflektierten Strahls.
Auch die Gesamtleistung ist leicht moduliert, wegen definierten
Anschwingvorgängen oft leicht stufig, einige % sind schnell
passiert. Diese Leistungsoszillationen werden mit zunehmender
Erwärmung immer langsamer. Ein EMPA-Profi-Physiker, bereich
Messtechnik, wollte ja unbedingt einen HeNe einsetzen, da
dessen Ausgangsleistung konstanter sein _müsse_, als diejenige
eines billigen Diodenlasers. Das dem nicht so ist, musste
ein armes Schwein von Lehrling in der Abschlussprüfung
merken :-(. Naja, welcher Physiker hört schon auf einen
Chemiker ;-].

--
mfg Rolf Bombach

 

[Michael Eggert]

Rolf Bombach <rolfnospambombach@bluewin.ch> wrote:

Hi!

Bei einem passiven Resonator der Länge l mit Brechungsindex n ergibt
sich ein freier Spektralbereich von

f_sr = c / 2 n l

und mit der Reflektivität R durch die Resonatorgüte eine
Halbwertsbreite der einzelnen Moden von

f_cav = f_sr (1-R) / (pi sqrt(R)).

Die Formel könnte man jetzt mit ein paar konkreten
Zahlen zum Leben erwecken.

Beim HeNe dürfte der mechanische Aufbau durchaus kritischer sein als
Shawlow-Townes, wie Du unten schon schreibst.

Für Diodenlaser hab ichs mal durchgerechnet:

GaAs, Wellenlänge (bei diesem Laser) 852nm, n = 3,5

geschätzt: l = 0,3mm ; R = 0,3 und ca 50mW

Also recht geringe Reflektivität, wie bei Diodenlasern üblich (die
Verstärkung machts).

f_sr = 143 GHz

f_cav = 60 GHz

Aufgrund der schwachen Reflektivität ist also die Linienbreite des
Resonators schon halb so breit wie der Modenabstand.

Für einen
Laser in eben diesem Resonator, mit Leistung P und Frequenz f_laser
ergibt sich nach Schawlow-Townes eine Linienbreite von mindestens

f_linie = 2 pi h f_laser (f_cav)^2 / P

Das ergäbe dann ca 100 kHz, aaaaaaber:

Au weia. Das ist _sehr_ theoretisch, so Phasenfluktuationen
aufgrund der Photonenstatistik. Was so ein Photon pro
Sekunde im Vergleich zur Laserleistung ausmacht. Vergiss es.

Nejnej, jetzt kommts erst, hab ich vorhin noch unterschlagen
Im Halbleiter hat man eine Kopplung zwischen Amplituden- und
Phasenrauschen durch den Effekt Ladungsträgerkonzentration ->
effektiver BI -> effektive Resonatorlänge. Also über den gleichen Weg,
wie auch durch den Strom bewirkt wird. Die Bandbreite wird größer mit

f_linie' = f_linie * (1+alpha)˛ und alpha = 1,5..6 für Halbleiter.

Frag mich aber bloß nicht, wo das alpha jetzt herkommt
Hab das vor Jahren mal nachgeschlagen und rausgeschrieben, Meschede
dürfte aber ein guter Ansatz sein (hab ich nich hier)....

Na jedenfalls liegen wir mit dem worst case, also alpha = 6, dann bei
ca

f_linie' = 4 MHz

Und das ist denke ich ziemlich realistisch, um nicht zu sagen
großzügig für 50mW.

[Die Theorie...]

Gibt was im Mikrohertz-Bereich.

Bei HeNe mit großer Baulänge und guten Spiegeln wahrscheinlich ja.

Weit vorher wird dir die mechanische und thermische
Stabilität des Aufbaus einen Strich durch die Rechnung
machen.

Der HeNe, mit dem ich mal gearbeitet hatte (mit dessen Licht
gearbeitet.. nicht drin geschraubt) hat einen Resonator von etwa 40cm,
aufgehängt an Invar-Stäben (Glaskeramik, ändert ihre Länge kaum über
die Temperatur). Die Röhre hat Brewsterfenster, damit hat sich die
Polarisationsfrage erledigt. Achja, stabilisiert auf ne Jod-
Absorptionslinie, Sättigungsspektroskopie, also intra-cavity im
Laserresonator mit drin - aber der lock-in läuft irgendwo bei wenigen
kHz, also gehts da wirklich nur um die Langzeitstabilität.

Ich werd aber morgen mal nachfragen, was das Teil für ne Linienbreite
und Stabilität hat.

Auch wenn du unverspiegelte Glasplatten als
"Spiegel" verwendest, spielt das für die Bandbreite
keine Rolle _in der Praxis_.

Bei uns wars wohl schon wichtig, um die Leistungsüberhöhung für die
Sättigungsspektroskopie zu haben - inwiefern sich das in "normalen"
HeNe auf die Linienbreite auswirkt, kann ich schlecht einschätzen.

(Zum Entsetzen der Physiker hatte ich einen Kopfhörer
an die Photodiode gehängt und konnte so einige Quellen
von mechanischen Schwingungen ausfindig machen ;-)).

Dioden hab ich nie beschallt
Aber wie gesagt, bei Dioden (kurze Länge, niedrige Reflektivität)
passt die Theorie recht gut - weil...

Dass rein theoretisch rund 12 (!) Grössenordnungen darunter
andere Limiten auftreten, mag Theoretiker interessieren.

....die theoretischen Limits schon so bescheiden ist, daß man
mechanisch/akustisch/thermisch/elektronisch nicht mehr viel vergurken
kann, wenn man sich denn ein wenig Mühe gibt )

Siehe auch S.230 in
Meschede; "Optik, Licht und Laser"; Leipzig 1999 Teubner, ISBN
3-519-03248-1

Auch im Demtröder (ebenfalls entsetzt ob des Kopfhörers)
auffindbar.

Oweh, ja, der bei uns auch irgendwo - aber den lass ich lieber von
Physikern lesen und mir dann erklären

Gruß,
Michael.

 

[Rolf Bombach]

Michael Eggert wrote:

Das meinte ich mit "kommt auf die Zielgruppe an" und erklärt, warum
manche hier eben Angaben der Kohärenzlänge von wenigen dm (begrenzt
durch longitudinal multimodig) oder mehrere 100m (singlemodig,
begrenzt durch Schawlow-Townes) finden.

Wie gross ist diese Begrenzung konkret bei einem
single mode 20mW-Holo-HeNe? Wahrscheinlich mache
ich einen Rechenfehler, aber ich kriege Kohärenzlängen
bis zum Pluto und zurück, und damit meine ich nicht
unseren Hund. Die Bandbreite ist ja auch Fourier-
limitiert, da ich irgendwann ja den Laser einschalten
muss und irgendwann geht er kaputt, und das scheint
so (beinahe ;-)) in der gleichen Grössenordnung
zu sein.

--
mfg Rolf Bombach

 

[Michael Eggert]

Rolf Bombach <rolfnospambombach@bluewin.ch> wrote:

Hi!

Wie gross ist diese Begrenzung konkret bei einem
single mode 20mW-Holo-HeNe? Wahrscheinlich mache
ich einen Rechenfehler, aber ich kriege Kohärenzlängen
bis zum Pluto und zurück, und damit meine ich nicht
unseren Hund.

Ich komme mit l=40cm und R=0,99 (also schon was halbwegs ordentliches)
auf f_cav = 1,2 MHz (also schonmal um den Faktor 50000 schmaler als
die Laserdiode).

Mit f_laser = 470THz komme ich dann auf f_linie = 0,14 mHz.

Na ist doch schön: Die Bandbreite von HeNe-Lasern hängt alleine vom
Aufbau ab, egal wie gut er sein mag, er ist immer von der mechanischen
und thermischen Stabilität etc begrenzt. Darum ist es auch nicht
verwunderlich, daß die Kohärenzlänge käuflicher Systeme von cm bis
100m geht. Oder wie ich ganz zu Anfang schon schrieb: "Kommt auf die
Qualität / Zielgruppe an".

Auf der anderen Seite sind Laserdioden durch ihren Aufbau schon
mechanisch relativ unempfindlich. Dafür liegt das Limit aber
physikalisch schon so hoch, daß es mit einem kleinen Sack guter
Bauteile für 100 Euronen gut erreicht werden kann, wenn auch eben
nicht mit Hühnerfutter ausm Laserpointer.

Gruß,
Michael.

 

[Carsten Kurz]

Rolf Bombach schrieb:

Wie gross ist diese Begrenzung konkret bei einem
single mode 20mW-Holo-HeNe? Wahrscheinlich mache

Wie gesagt - einige Dezimeter. Ich mag mich täuschen, aber in der Praxis
ist das die Resonatorlänge. So großzügig sind Holo Aufbauten jedenfalls
nicht, der korrekte Wegeausgleich unter Berücksichtigung der
Kohärenzlänge ist essentiell bei sowas.



- Carsten



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