Laser

Ein ganz besonderes Licht

Strahlenverlauf eines Lasers im KDTLI

Das Wort LASER ist ein Acronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Ein Laser ist eine besonders kohärente Lichtquelle. Die hohe räumliche Kohärenz bewirkt, dass der Lichtstrahl  sowohl besonders gut gerichtet als auch sehr gut fokussiert werden kann.

Zudem ist auch die spektrale longitudinale Kohärenz besonders hoch. Alle Photonen haben eine sehr ähnliche Energie und sind daher monochromatisch.

Dank dieser Eigenschaften ist Laserlicht besonders gut geeignet, um die stehende Lichtwelle im KDTLI zu realisieren, an der die Moleküle gebeugt werden.

Laserlicht kann sehr gut polarisiert sein. Im KDTLI verwenden wir Polarisationsoptik, um die Lichtleistung am Ort der Moleküle zu variieren und um den hin- und rücklaufenden Gitter-Laserstrahl voneinander zu trennen.

Extra: Polarisationsoptik

Unser Laser ist linear polarisiert. Das bedeutet, dass das elektrische Lichtfeld in einer definierten Ebene schwingt. Diese Eigenschaft kann man nutzen, um das Lichtfeld zu lenken und zu modulieren.

Polarisierende Strahlteiler lenken Licht einer definierten Polarisation (z.B. horizontale Richtung des E-Feldes) aus der Strahlrichtung ab  und lassen dazu senkrecht polarisiertes (vertikale Richtung des E-Feldes) passieren.

Dreht man die Polarisationsrichtung des einlaufenden Lichts, so wirkt der Strahlteiler als fein regelbarer Abschwächer, da die Intensität zwischen den beiden Ausgängen kontinuierlich verschoben werden kann. Zur Drehung der Polarisation werden Halbwellenplatten verwendet, welche die Phase zwischen zwei orthogonalen Komponenten eines Lichtfeldes um \(\pi\) verschiebt.  Man könnte die Laserleistung auch über den Laserstrom variieren. Da dies in der Regel mit einer Änderung der Strahlparameter (Profil, Wellenlänge… ) einhergeht, ist es oft vorteilhafter, Polarisationsoptik zu verwenden.

Eine Viertelwellenplatte transformiert linear polarisiertes Licht in zirkulares Licht und umgekehrt. Dieses Element kann die Polarisation eines Laserstrahls bei zweifachem Durchgang (hin und zurück) um 90 Grad drehen. Wir nutzen dies im KDTLI, um den Laserkopf vor Beschädigung durch rückreflektiertes Licht zu schützen.

Viele Laser haben im Querschnitt ein Intensitätsprofil, das durch eine Gaußfunktion beschrieben wird. Im Interferometer benötigen wir einen auf nur \(20 \times 1000 \, \mathrm{\mu m}^2\) fokussierten Strahl. Dazu verwenden wir im Experiment eine zylindrische Linse, um über den ganzen Molekularstrahl eine möglichst gleichförmige Feldverteilung zu erreichen.

Extra: Gaußstrahlen

Ein Gaußsches Intensitätsprofil hat folgende Form:

\( I=I_0 \cdot \exp(- 2r^2/w_0^2) \),

wobei \( r  \) der Abstand von der optischen Achse ist und \(w_0 \) die Strahltaille (waist). Letztere definiert den Abstand von der optischen Achse, bei dem die Lichtintensität auf \(1/e^2 \) abgefallen ist.

Die spezielle Strahlform bedingt einige optische Eigenschaften, die wir uns merken wollen:

  1. Seine Wellennatur (Beugung) verhindert, dass man Licht auf einen beliebig kleinen Punkt fokussieren kann. Der kleinste Fokus, den man mit einer ausgedehnten Lichtwelle (Wellenlänge \( \lambda \), Strahldurchmesser \(D\)) hinter einer Linse der Brennweite \(f \) erzielen kann ist:
    \( w_1= \frac{f \lambda}{\pi D} \).
  2. Man kann einen Laserstrahl nicht über beliebig lange Strecken klein halten. Unmittelbar nach dem kleinsten Brennfleck (waist) divergiert der Strahl
    \( w (z)= w_0 \sqrt{1+(z/z_R)^2} \),  mit der Rayleigh-Länge  \( z_R = \pi w_0^2/\lambda\)

Experimentieraufgabe: Lichtgitterhöhe

Gehe ins Labor und folge den Anweisungen. Wenn du fertig bist, setze hier fort.