EXP:Farbstofflaser
Aus Physik und ihre Didaktik Wiki
In diesem Experiment geht es um den Aufbau eines Farbstofflasers. Im ersten Schritt dient eine Glasküvette als Resonator. Der Fabrstoff in der Glasküvette wird mit einem Stickstofflaser angeregt. Im zweiten Schritt wird dann ein externer Resonator bestehend aus einem Hohlspiegel und einem Reflexionsgitter gebaut. Dies bietet die Möglichkeit einen durchstimmbaren Laser zu konstruieren.
Didaktischer Rahmen
Hier werden speziell Themen wie Streuung, Absorption und Reflexion behandelt. Es geht unter anderem aber auch die die Funktionsweise von Linsen. Soll jedoch die Funktionsweise eines Lasers bzw. des Lasings angesprochen werden, so lässt sich das Experiment auch in der Oberstufe im Themenbereich Wellen, Quantenphysik bzw. als vertiefendes Themengebiet einordnen.
Nötige Vorkenntnisse
Zum besseren Verständnis des Experiments sollte den Schüler*innen Begriffe wie Fluoreszenz oder Resonator bekannt sein. Außerdem sollten die Funktionsweisen und Funktionen der einzelnen Bauelemente, wie Spiegel oder Reflexionsgitter, vorab besprochen worden sein.
| Klassenstufe | Klasse 7/8 |
|---|---|
| Kategorie | Optik |
| Einordnung in den Bildungsplan von BW | - |
| Quantitativ/Qualitativ | Qualitativ |
|---|---|
| Demo-/Schülerexperiment | Demonstrationsexperiment |
| Unterrichtsphase | Vertiefungsphase |
| Einzelversuch/Versuchsreihe | Einzelversuch |
Versuchsanleitung
Benötigtes Material
- Breadboard
- gepulster Stickstofflaser + Netzteil
- 2 Spiegel + 2 Spiegelhalter
- Zylinderlinse + Halterung
- Glasküvette + Küvettenhalter
- Rhodamin 6G in Methanollösung (Konzentration: 200g/L)
- Pipette
- Handschuhe
- Hohlspiegel + Halterung
- Reflexionsgitter
- Spektrometer
- PC mit der Software SpectraSuite
- 5 Stages
- verschiedene Bases, Post, Postholder, Schrauben, Unterlegscheiben, Schraubenzieher zur Befestigung der Bauteile auf dem Breadboard
Versuchsaufbau
Zunächst wird der gepulste Stickstofflaser auf dem Breadboard befestigt. Anschließend wird der Laserstrahl mit den zwei Spiegeln durch die Zylinderlinse und in den Küvettenhalter mit der Glasküvette gelenkt. Die Zylinderlinse und die Küvettenhalterung sind auf Stages montiert, um eine Feineinstellung der Position vornehmen zu können. Die Glasküvette ist mit ca. 2 ml des Farbstoffs mithilfe der Pipette zu befüllen. Da Rhodium 6G sehr stark färbt, sollten Handschuhe getragen werden. Das Spektrometer wird auf einer der beiden Seiten des Küvettenhalters befestigt, da das Lasing im rechten Winkel zum einfallenden Strahl angeregt wird. Durch das Beobachten des Spektrums mit der Software SpectraSuite können die einzelnen Bauelemente so eingestellt werden, dass der Peak im Diagramm maximal ist. Die Zylinderlinse muss so ausgerichtet werden, dass der Farbstoff in einer Ebene angeregt wird, welche senkrecht zu den Wänden der Glasküvette steht. Nur so kann die Glasküvette als Resonator fungieren. Durch die hohe Absorption des Lasers durch den Farbstoff handelt es sich bei der Anregung eher um eine Linie als eine Ebene.
Im zweiten Schritt wird das Spektrometer entfernt und der Hohlspiegel und das Reflexionsgitter an den beiden Seiten des Küvettenhalters auf dem Breadboard befestigt. Auch diese werden auf Stages geschraubt, um die Positionen der Bauelemente minimal verändern zu können. Der Abstand zwischen Hohlspiegel und Reflexionsgitter darf nicht größer sein als die Brennweite des Hohlspiegels (hier: 20 cm). Das Spektrometer wird so auf dem Breadboard befestigt, dass die Reflexion am Spiegel detektiert werden kann. Das Gitter muss so gekippt werden, dass der eine Reflex wieder auf die Küvette und somit auch auf den Hohlspiegel trifft. Nur so können Hohlspiegel und Reflexionsgitter als Resonator dienen. Da die Küvette an sich schon sehr gut als Resonator funktioniert, kann die Wirkung des externen Resonators besser überprüft werden, wenn sich die Glasküvette nicht mehr in der optimalen Position befindet. Da diese im Küvettenhalter etwas Spielraum hat, reicht es die Küvette leicht anzustoßen.
Auswertung
In den Abbildungen A und B wird der Unterschied zwischen Fluoreszenz und Lasing anhand der Form des Peaks schnell klar. Bei der Fluoreszenz ist der Peak deutlich breiter. Beim Lasing dagegen ist der Peak deutlich schärfer als bei der Fluoreszenz.
Da sich die Fluoreszenz für verschiedene Konzentrationen verschiebt, kann bereits durch die Veränderung der Farbstoffkonzentration die Wellenlänge des Lasings verändert werden. Der Laser ist in gewisser Weise also schon ohne externen Resonator durchstimmbar.
Bei der Betrachtung des Spektrums des externen Resonators sieht man schön, dass obwohl die Position der Küvette in der Halterung absichtlich verschlechtert wurde, der Peak sehr deutlich zu sehen ist.
Mögliche Probleme und ihre Lösungen
Bei der Durchführung des Projektes sind folgende Schwierigkeiten aufgetreten:
Für eine zu geringe bzw. zu hohe Konzentration des Farbstoffs findet kein Lasing statt, dazu wurde mit Hilfe des Aufbaus die Fluoreszenz bzw. das Lasing für verschiedene Konzentrationen bestimmt und so die optimale Konzentration ermittelt. Diese beträgt für Rhodamin 6G und Methanol von 200g/L.
Bereits eine um wenige Grad verdrehte, bzw. um wenige Millimeter verschobene Zylinderlinse kann dafür sorgen, dass das Lasing nicht auftritt. Entsprechend sollte sichergestellt werden, das der vordere Teil der Küvette (in der das Lasing stattfindet) im Brennpunkt der Zylinderlinse ist und die Zylinderlinse so ausgerichtet ist, dass der Laserstrahl horizontal auf die Glasküvette trifft.
Der korrekte Verlauf des Strahlengangs kann am besten mit einem weißen Papier überprüft werden. Dadurch kann zum Beispiel sichergestellt werden, ob der Strahl mittig in die Küvette oder auf den Hohlspiegel trifft. Dieses Vorgehen ist auch sinnvoll, wenn man versucht, mit dem Spektrometer den doch recht schwachen Reflex des externen Resonators zu detektieren.
Sicherheitshinweise
Bei der Verwendung des Stickstofflasers muss beachtet werden, dass der Laser im nahen UV-Bereich emittiert und daher für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Aus diesem Grund ist es wichtig, nicht direkt in den Strahl zu schauen. Außerdem dürfen keine reflektierenden Gegenstände (wie zum Beispiel Schraubenzieher) in den Strahlengang gehalten werden. Durch das Aufstellen von Schirmen oder die geeignete Ausrichtung des Lasers können Personen, welche sich ebenfalls im Raum befinden, geschützt werden. Bei der Verwendung von Methanol muss man sich der möglichen Gefahren bewusst sein.
Fotos
-
In der Abbildung ist der Aufbau eines Farbstofflasers dargestellt. Die Küvette mit dem Farbstoff dient als interner Resonator. Man kann sowohl Fluoreszenz als auch Lasing beobachten, je nach dem wie gut die Küvette in der Halterung ausgerichtet ist.
-
In der Abbildung ist die Intensität der Fluoreszenz übder die Wellenlänge für verschiedene Mischverhältnisse zu sehen.
-
In der Abbildung ist in rot der Strahlengang eingezeichnet. Es wurden folgende Bauelemente verwendet: (1) Stickstofflaser, (2) Spiegel, (3) Zylinderlinse, (4) Küvettenhalterung mit Küvette, (5) Spektrometer.
-
In der Abbildung ist in rot der Strahlengang eingezeichnet. Es wurden folgende Bauelemente verwendet: (1) Stickstofflaser, (2) Spiegel, (3) Zylinderlinse, (4) Küvettenhalterung mit Küvette, (5) Spektrometer.
-
Es ist das Spektrum der Fluoreszenz dargestellt. Man erkennt schön, dass der Peak unten eher breit ist.
-
Es ist das Spektrum zum Lasing dargestellt. Der Peak ist sehr schmal und entspricht der Wellenlänge des roten Farbstoffs.
-
In der Abbildung ist der Aufbau des externen Resonators dargestellt, bestehend aus einem Hohlspiegel und einem Reflexionsgitter.
-
In der Abbildung ist der Strahlengang zum externen Resonator dargestellt. Mans sieht schön, dass der Hohlspiegel und das Reflexionsgitter als Wände des Resonators dienen und sich das Licht zwischen diesen bewegt. Für en Aufbau wurden die folgenden Bauelemente verwendet: (1) Stickstofflaser, (2) Spiegel, (3) Zylinderlinse, (4) Küvettenhalterung mit Küvette, (5) Hohlspiegel, (6) Reflexionsgitter, (7) Spektrometer
-
In der Abbildung ist der Aufbau des externen Resonators detaillierter dargestellt.
-
In der Abbildung ist der gesamte Versuchsaufbau von oben dargestellt.
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0