Diane's Laser Page

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Die Träume der Kindheit endeten irgendwann. Naja, um ehrlich zu sein, sie schliefen nur, bis ich in der Abiturvorbereitung steckte. Das war am Anfang der 1980er Jahre, und ich war zu der Zeit regelmäßige Leserin von "Spektrum der Wissenschaft". Und eines schönen Tages fand ich die berühmte Beschreibung des Quecksilberdampflasers in der Ausgabe vom Dezember 1980.
Ups - da hatte jemand seinen EIGENEN Laser gebaut?
Das Fieber kam zurück. Wenn der das konnte, dann ich auch, entschied ich. Nichtsdestoweniger wußte ich inzwischen eine ganze Menge mehr über Physik, und ich hatte auch schon ein wenig Zeit mit dem kleinen HeNe-Laser der Schule verbracht. Ein bißchen wußte ich schon darüber, was es braucht, um einen Laser zum Funktionieren zu bringen.
Ein paar Telephonanrufe machten die junge Diane sehr, sehr unglücklich. Ich fand heraus, daß man im Prinzip alles kaufen konnte, was man für einen Laser benötigt. Natürlich zu einem entsprechenden Preis. Einem HOHEN Preis. Da war wieder mein altes "Rubinproblem": alles, was mit Lasern zu tun hatte, war einfach zu teuer.
"Du Verrückte, man kann keinen Laser selbstbauen", lachte ein Mitschüler über mich, "sowas gibt's eben nur in Forschungslaboratorien." Ich hätte ihm besser nichts von meinen Ideen erzählt. Also dachte ich nur: "Man kann nicht? Wir werden sehen."

Fragt mich heute bitte nicht, warum ich angefangen habe, Mathematik zu studieren. An unserer Uni gab es ein ziemlich berühmtes Institut für Quantenoptik, und vielleicht wäre ich besser in Richtung Lasertechnik gegangen (obwohl ich dann heute vermutlich genauso arbeitslos wäre). Aber damals waren Computer noch interessanter als Laser für mich. So war es eben. Aber als Studentin hatte ich natürlich endlich Zugriff auf wirkliche wissenschaftliche Literatur. Ich lernte eine Menge über die theoretischen Grundlagen der Laser, und aus Laserzeitschriften auch etwas über die technische Umsetzung des Ganzen. Ich sah mir eine ganze Reihe von Beschreibungen der verschiedensten Laser an und entschied schließlich, mich an einem blitzlampengepumpten Farbstofflaser zu versuchen. Der, so dachte ich, braucht wenigstens keinen Rubin. :)
Um eine traurige Geschichte kurz zu machen, ich fand heraus, wie man Stroboskopröhren mit Hilfe von Spannungsverdopplern und richtig GROßEN Kondensatoren in tausend Stücke sprengt, und ich schätze auch, daß diese netten rosa Farbstoff-Flecken vom Rhodamin bis heute nicht aus dem Teppich in meiner alten Studenten-WG herausgegangen sind. :(
Soviel zum Thema Farbstofflaser.
Aber ich wollte noch immer meinen eigenen Laser, und nach ein paar Telephonaten mehr hatte ich endlich eine schöne Siemens HeNe-Laserröhre bei mir zuhause (es war eine neue 1.5 mW LGR7621). Muß ich noch erzählen, wie oft ich jenes unheilvolle "Brzzzz" aus selbstgewickelten Transformatoren hörte, ehe ich endlich klug wurde und mir aus dem Lichtreklamehandel einen gebrauchten Neontransformator besorgte? Ich war noch immer eine wahre Enkelin meines Großvaters...
Also verbrachte ich von nun an meine Zeit damit, ein Gehäuse für alles das und einen Gleichrichter aus Serien von 1N4007-Dioden zu bauen (das mit den Dioden sollte man lieber keinem Elektrotechnik-Studenten erzählen. Ich hab das getan, und der arme Junge kriegte fast einen Herzanfall).
Nebenbei bemerkt sind diese alten HeNe-Laser ziemlich robust. Ich habe einmal einen Kurzschluß verursacht, der den Anodenwiderstand buchstäblich detonieren ließ (eine weitere Lektion über GROßE Kondensatoren). Nachdem die tanzenden Lichter vor meinen Augen so langsam verblaßt waren, habe ich ängstlich nachgesehen, ob von der Laserröhre noch irgendetwas am Leben war. Nun ja, sie hatte eine Menge feiner Risse in der Kapillare, aber nachdem ein frischer Widerstand eingelötet war, zündete sie und strahlte friedlich vor sich hin (falls das hier zufällig irgendwann von einem Siemens-Ingenieur gelesen wird, ich habe die Röhre immer noch, und sie funktioniert auch nach 17 Jahren noch - siehe "Diane's Laser Museum"). Tapferer kleiner HeNe. :)

Nach einiger Zeit wurde HeNe langweilig für mich. Eine Röhre mit internen Resonatorspiegeln ist eine Sache, ein komplett selbstgebauter Laser wie der aus "Spektrum der Wissenschaft" eine ganz andere. Also begann ich mit vorbereitenden Experimenten in dieser Richtung.
Ich beschaffte mir eine billige Wasserstrahlpumpe und eine unverschlossene Neonröhre und machte Versuche mit Gasentladungen. Um es kurz zu machen, ich mußte eine ganze Menge von Experimenten durchführen, um die Grundlagen des Arbeitens mit Vakuum, über das Ausgasen von Materialien und die Reinheit von Gasen zu lernen. Über die Jahre wuchs mein kleines Labor: ein selbstgebauter Spannungsverdoppler zu meinem Neon-Transformator, ein selbstgemachtes Quecksilber-Barometer, eine bessere Pumpe, Edelgase in Literflaschen, ein kleines Spektroskop, längere Entladungsröhren. Um richtig zu funktionieren, brauchte es für all das Jahre der Übung.
Dann kam wieder ein Schlag, natürlich wieder vom "Spektrum der Wissenschaft". Diesmal war es der Kupferdampflaser. Wie aufregend... besonders, da ich mir im Klaren darüber war, daß ich bisher überhaupt keine Erfahrung mit Laseroptik hatte. Aber die superstrahlenden Kupfer-Linien würden auch ohne Resonatorspiegel anschwingen. In anderen Worten, ich hätte sofort anfangen können, diesen Laser zu bauen.
Aber anders als in meinen Jugendtagen las ich zuerst noch ein bißchen mehr über superstrahlende Laser, bevor ich blindlings zu basteln begann. Und so fand ich einiges über den noch einfacheren N2-Laser heraus.
Ich entschied, es damit zu versuchen.
Und eines schönen Tages im Jahr 1991 war es soweit: eine komplett selbstgebaute 10-cm-Teströhre aus Plexiglas mit Quarzfenstern gab schwache UV-Laserblitze ab! Das gab einen Tanz in meinem Wohnzimmer, als ich es nach 10 Jahren Mühe und Mißerfolgen endlich geschafft hatte!

Weil die 10-cm-Röhre eine ziemlich schlappe Leistung hatte, beschäftigte ich mich in der Folge mehr mit N2-Laser-Design. Das Hauptproblem war, daß ich mit meiner Spannungsversorgung nur auf 10 kV kam, also ziemlich niedrige Energiedichten in der Entladung erreichte. Längere Röhren strahlten auch schwächer als erwartet, selbst mit einem Metallspiegel an einem Ende. Irgendwie mußte ich folglich die Entladung einengen, aber in einer Kapillare aus Plexiglas hätte das schnell die Wände überhitzt und zu Rauchwolken geführt. In dieser Zeit schrieb ich schon an meiner Doktorarbeit, und in dem Forschungszentrum, in dem ich arbeitete, fand ich das Wertvollste, was der Amateurphysikbastler lesen kann: eine komplette Ausgabe (von Nr.1 von 1929 an) des "Review of Scientific Instruments". Eine Goldgrube für alle, die einen Laser oder Teilchenbeschleuniger bauen wollen oder ähnlich esoterische Interessen haben, ich empfehle besonders die Ausgaben aus den 1930er Jahren für Letzteres. ;)
Nun, nach einigen Stunden des Suchens fand ich die nützlichste Publikation über Laser vom N2-Typ, die ich kenne. Sie handelt vom "Strip Line" Laser mit segmentiertem Entladungskanal, der von den Autoren ursprünglich für die UV-Linien des Wasserstoff-Lasers gedacht war [1].
Ein wenig mußte ich das Design an meine Hochspannung anpassen, und ich schnürte die Entladung noch ein wenig mehr ein, indem ich kurze Duranglas-Röhrchen in die Segmente hineinschob (siehe "Die Querflöte"). Glaubt mir, es war eine elende Arbeit, Löcher für 56 Elektroden zu bohren und sukzessive die Duranröhrchen vom Ende des Plexiglasrohres hineinrutschen zu lassen, aber schließlich hatte ich einen schönen 3 mm x 98 cm Entladungskanal mit einer hübsch hohen Energiedichte. Weil sie mit den vielen Elektroden so merkwürdig aussah, taufte ich die Röhre "Querflöte".
Die ersten Tests zeigten, daß dieses Baby so ziemlich aus allem Laserstrahlung herausholte, was auch nur ein bißchen Stickstoff enthielt, sogar aus normaler "schmutziger" Luft oder Luftverunreinigungen in Helium. Schade, da hatte ich doch leider keinen "Heliumlaser" entdeckt... :)
Spiegel waren überflüssig, ich erhielt Strahlung auf allen drei UV-Linien des Stickstoffs, die ich mit einem "Wasserprisma" und einem Fluoreszenzschirm sichtbar machte (Das Wasserprisma besteht aus drei Mikroskop-Objektträgern, die auf eine Unterlage geklebt sind. Das Ganze wird mit Wasser gefüllt und absorbiert UV sehr viel weniger als ein massives Glasprisma).
Natürlich probierte ich auch andere Gase aus, und die superstrahlende grüne Neonlinie bei 540.1 nm erschien in dieser Röhre ebenfalls stark. Mit der Zeit wurde das mein Lieblingslaser. Bei einigen Gelegenheiten erschien bei niedrigerem Druck auch die schwächere orangefarbene Neonlinie bei 614.3 nm, normalerweise verschwand sie aber relativ schnell wegen ausgasender Verunreinigungen. Die noch schwächere goldgelbe Linie bei 594.5 nm habe ich leider noch nicht beobachtet.

Verunreinigungen waren es, die mich des ganzen Aufwandes schließlich müde machten. Üblicherweise betrieb ich die "Querflöte" im Durchfluß-Betrieb, sonst unterdrückten ausgasende Verunreinigungen den Laserbetrieb stets schon nach Sekunden. Bei einer Gelegenheit versuchte ich, die Röhre mittels Helium-Bombardement zu reinigen, was einige Stunden in Anspruch nahm. Aber nachdem ich fertig war, erschien das "Dreckspektrum", wie ich es nannte (N2 Band von ausgasender Luft, H alpha von Wasserdampfspuren und Hg Linien von Quecksilber aus dem Barometer), innerhalb einer halben Stunde wieder. Wann immer ich meinen Laser aufbaute, mußte ich Stunden und Tage davor zubringen, um überhaupt das Vakuum-System einigermaßen sauber zu bekommen. Und die Kosten für Neon fraßen mir die Haare vom Kopf - reines Neon ist nicht dasselbe, was in Neonröhren gefüllt wird, sondern ziemlich teuer. Und dann, wieder ein paar Jahre später, hatte ich einen bleistiftgroßen Laserpointer, der grob die doppelte Ausgangsleistung brachte wie mein selbstgebauter Riesenapparat. Das war ziemlich deprimierend.
Manchmal im Leben hat man Krisen und trennt sich von Liebgewordenem. So war es auch mit meinem Laser, für ein paar Jahre stand er bei einem Physiker, der Kuriositäten sammelte, aber inzwischen habe ich ihn zurück. Immerhin ist es mein *Baby*.

Und dann besuchte ich Freunde, und ich war sehr überrascht, bei ihnen einen gelben HeNe-Laser zu sehen. Sie erzählten mir, daß sie ihn für die Beleuchtung von großen Natur-Quarzkristallen benutzten, weil sie das goldgelbe Streulicht in ihnen so sehr mochten.
Sie wußten wenig bis nichts über Laser, und ich hielt einen ungefähr einstündigen Vortrag aus dem Stehgreif an diesem Nachmittag. Wir sprachen auch darüber, daß blau oder grün beleuchtete Kristalle noch schöner wären. Vielleicht mit einem Argon-Ionen-Laser.
Nun, in den Tagen des Internet ist es eine einfache Sache, das Stichwort "Laser" in Google.de zu füttern und zu sehen, was passiert. So stieß ich zuerst auf "Sam's Laser FAQs", wo die englische Version dieser Geschichte jetzt zwischen vielen anderen zu lesen ist.
Der Traum vom Argonlaser zerschlug sich wieder, diese Geräte sind selbst gebraucht immer noch viel zu teuer, und DPSS Laser sind viel einfacher zu bauen ... ich hab das zwischenzeitlich (2005) einfach mal getan. Xenotim heißt der Kleine.

Mein erstes Baby war 2003 ganze 11 Jahre alt und seine Röhre nicht mehr im besten Zustand. Insbesondere die Lagerung bei dem befreundeten Physiker hat ihr nicht gutgetan, irgendetwas gaste aus oder leckte gewaltig.
Aber irgendwie komme ich davon nicht los - es war immerhin mein größter und erfolgreichster Laser, und deshalb habe ich mich Anfang 2006 dazu entschlossen, ihn von Grund auf zu restaurieren (Neubau der Entladungskapillare, Austausch aller Dichtungen und des Dielektrikums, Reinigung und Test aller übrigen Teile).
Schließlich...
"Es geht nun mal nichts über einen Gaslaser!"

Und was ich sonst noch so basteln werde, darüber werde ich von Zeit zu Zeit hier schreiben. :)

~D. N.

Die folgenden Bilder zeigt den Laser noch vor der Restauration 2006; die Veränderungen wären aber ohnehin auf den Bildern nicht erkennbar.
Das Vakuumsystem wurde um ein Dosenbarometer (-1 bis +1.5 bar) ergänzt, um bei künftigen Untersuchungen im höheren Druckbereich messen zu können.

Download
Diagramm des Lasers (GIF, 353 k)

Bild 1 - Gesamtansicht des "Querflöte"-Lasers (Komposit aus drei Aufnahmen). Man erkennt neben und hinter dem langen Laserkopf rechts die einstufige Drehschieber-Vakuumpumpe, hinten die isolierten Gehäuse von Hochspannungstrafo und Spannungsverdoppler und links die Gasversorgung mit Niederdruck-Gasdose und Quecksilber-Barometer. Der Laserkopf hat eine Plexiglas-Frontscheibe, so daß man die Röhre im Betrieb beobachten kann. Hires-Version des Bildes (207 k)

Bild 2 - Noch einmal die Gesamtansicht, diesmal von vorn. Wie zu sehen ist, bevorzuge ich für die Vakuum-Leitungen Glasrohre, die mit kurzen Stücken Vakuumschlauch verbunden sind. Dieser Aufbau verursacht meiner Erfahrung nach nur geringe Ausgasraten. Die Hochspannungskabel sind gewöhnliche Zündkabel aus dem Kfz.-Handel, sie halten ca. 40 kV aus.

Bild 3 - Nahaufnahme der Laserröhre. Man erkennt auf dem Bild den segmentierten Aufbau. In einer Außenröhre aus Plexiglas liegen Duranröhrchen von 3mm Innendurchmesser. Zwischen ihnen ragen alternierend die Elektroden in die Röhre. Die beiden Seiten des Blümlein-Generators bilden die obere und unterste Lage des hinter der Röhre befindlichen Kondensatorstapels. Der gemeinsame Leiter befindet sich in der Mitte zwischen ihnen (nicht sichtbar) - der Blümlein-Generator ist also gefaltet. Der oberste Leiter ist geschlitzt, damit sich die Entladungslänge variabel einstellen läßt; die Funkenstrecke sitzt auf dem unteren Leiter.

Bild 4 - Das hintere Ende der Laserröhre mit dem externen Aluminium-Spiegel. Dieser sitzt auf einem isolierenden Holzstab und läßt sich von außen mit drei Schrauben justieren - man gerät so nicht in die Nähe der Hochspannung. Der Spiegel muß so nahe wie möglich an der Glimmentladung sitzen, damit der reflektierte Laserpuls während der Entladungsdauer die Kapillare noch durchlaufen kann (daraus läßt sich übrigens eine einfache Methode zur Messung der Pulsdauer ableiten). Gut zu erkennen sind hier auch die Vakuumanschlüsse und die Quarzfenster der Röhre, die mit Flanschverbindungen angebracht sind, um austauschbar zu sein.

Bild 5 - Kontrastverstärkt. Laserbetrieb mit Neon. Es ist sehr schwierig, einen Nanosekunden-Lichtpuls auf weißem Untergrund zu photographieren, dieses Bild ist der eine Treffer aus 39 Belichtungen (!). Zur Verdeutlichung ist der Laserpunkt noch einmal vergrößert in das Bild eingesetzt, das Grün wird leider zu blaß wiedergegeben - es sieht sonst eher so aus. Ganz rechts ist im letzten Segment der Röhre die lachsrote Glimmentladung in Neon zu erkennen. downloaden eines kurzen Films einer Neon-Laser Pulsfolge (MPG, 524 k)

Bild 6 - Die violette Glimmentladung bei UV-Laserbetrieb mit Stickstoff auf ganzer Länge der Röhre.

Bild 7 - Fernfeld-Aufnahme (10 m) der Fluoreszenz des UV-Laserstrahls auf weißem Druckerpapier (es enthält einen Weißtöner, der bei Bestrahlung mit UV blau fluoresziert). Langzeitaufnahme, viele Pulse überlagert. Man beachte den für Stickstofflaser ungewöhnlichen fast kreisförmigen Strahlquerschnitt.

Technische Daten des Querflöte-Lasers
Typ	querangeregter Puls-Gaslaser mit Blümlein-Generator und freilaufender Luft-Funkenstrecke
Länge der Bandleiter	10+10	cm
Kapazität der Bandleiter	10+6	nF
Ladewiderstände	29x 1	MOhm
Betriebs-Spannung	10	kV
Gespeicherte Energie p. P.	0.8	J
Elektrodenabstand	14	mm
Elektrische Feldstärke	6700	V/cm
Pulsfolge (grob einstellbar)	0-50	Hz (unregelmäßig)
Pulsdauer	ca. 3	nsec
Länge der Entladung	98	cm
Durchmesser der Entladung	3	mm
Entladungsvolumen	6.9	cm3
Strahldivergenz	ca. 3.0	mrad (gemessen)
möglicher Druckbereich	0-900	Torr [c]
Gasverbrauch	ca. 10	l/h

Beobachtete Lasertätigkeit
Stickstoff -	35 Torr	337 nm	4-5 mW (mittl. [a])
Luft -	35 Torr	337 nm	1.5 mW (mittl. [a])
Neon -	58 Torr	540 nm	0.6-1 mW (mittl. [a])
Neon -	7 Torr	614 nm	(sehr schwach)
Helium-Stickstoff (?) -	10 Torr N2 + 760 (?) Torr He -	428 nm ?	(nur bei einer Gelegenheit, bisher nicht reproduziert. Strahlung ging durch UV-Blockfilter, um die ebenfalls erzeugte 337 nm Strahlung von N2 auszublenden, kann also keine Fluoreszenz des Schirms sein!)

Untersuchte Gase ohne Lasertätigkeit [b]
Helium -	0 - >100	Torr (Durchflußbetrieb)
Argon -	0 - >>100	Torr (Durchflußbetrieb)

[a]
Messung mit Silizium-PIN-Photodiode. Ich habe keine Ahnung, ob die Diode für die Messung von intensiven Nanosekunden-Pulsfolgen geeignet ist, die wirkliche Leistung könnte also höher liegen.

[b]
Im sichtbaren Spektralgebiet von 400 - 700 nm sowie den daran anschließenden nahen IR- und UV- Bereichen, die mit einfachen Indikatoren zugänglich sind (insgesamt etwa 300 nm - 1.4 µm). Bei dem verwendeten Argon handelte es sich um Rohargon für Schutzgas-Schweißgeräte.

[c]
Es ist in Helium in der Tat eine stabile Glimmentladung bis über den Atmosphärendruck hinaus möglich, theoretisch wahrscheinlich sogar bis zu noch höheren Drücken. Allerdings fliegen an der Querflöte bei ca. 1.5 atm Totaldruck die Vakuumschläuche von den Oliven. :(

2004 nahm ich das Projekt wieder auf, allerdings "halbiert" - dadurch wurde es denn doch nur ein einfacher Longitudinal-Laser. Nichtsdestotrotz habe ich den Namen beibehalten, auch wenn sonst fast nichts mehr an das ursprüngliche Projekt erinnert.
Janus II sollte sich von vorneherein an den Laser von Erikson und Lidholt [2] anlehnen, mit dem diverse Edelgase untersucht worden waren. Die Kapillare ist hierbei sehr viel länger, wodurch es notwendig wird, extrem hohe Spannungen anzulegen. Nun ja, ich hatte schon immer mit dem Bau eines Marx-Generators geliebäugelt, das war der geeignete Anlaß dafür.
Die Anregung geschieht bei longitudinalen Nanosekunden-Lasern nämlich durch ein Netz von zwei Kondensatoren, die durch eine Funkenstrecke und einen (ohmschen/induktiven) Widerstand gekoppelt sind. Der Speicherkondensator kann dabei ohne weiteres von einem Marx-Generator gebildet werden, der Pulskondensator wird zur Erzielung einer möglichst kleinen Induktivität direkt koaxial auf die Kapillare der Laserröhre gewickelt. Dieses Prinzip hatte bei Janus I funktioniert. Für die längere Röhre von Janus II benötigte ich allerdings eine Spannung von 60kV - was für mein Netzteil einen 6-stufigen Marx-Generator bedeutete.

Bild 1 + 2 - Janus II mit dem Marx-Generator, Vakuumsystem und Hochspannung. Das untere Bild zeigt die eigentliche Laserröhre deutlicher. Deutlich zu erkennen vorn im Röhrengehäuse der silberne Zylinder des Pulskondensators (500pF / 100kV), der koaxial auf der Entladungskapillare sitzt und mit möglichst kurzen dicken Metallteilen direkt mit den Elektroden verbunden ist. Das Dielektrikum, eine aufgewickelte PVC-Folie, ragt 10 cm über das Kondensatorrohr hinaus. Links erkennt man in der Mitte die dünne Glaskapillare. Im Hintergrund ist der große Kasten des Marx-Generators zu erkennen. Man beachte auch den besonders dick isolierten 60-Kilovolt-Anschluß.

Diagramm 1 - Die Ladungstransfer-Schaltung schematisch dargestellt. Die beiden Kondensatoren sind durch einen niederohmigen Widerstand R (ca. 10 Ohm) und eine Funkenstrecke SG getrennt. Der Speicherkondensator C2 sollte mindestens die dreifache Kapazität des Pulskondensators C1 haben [3]. Prinzipiell kann die Kombination aus C2 und SG durch einen n-stufigen Marx-Generator ersetzt werden, wie das durch die rot gepunktete Linie angedeutet ist. In diesem Fall muß die Reihenkapazität der Kondensatoren im Marx-Generator mindestens dreimal C1 betragen.

Janus II hatte für mich allerdings einige Überraschungen parat. Schon der Marx-Generator allein macht recht eindrucksvolle 6 cm lange Funken. Zusammen mit dem Pulskondensator bildet er aber ein System gekoppelter Oszillatoren, das ziemliche Überspannungen erreichen kann [3] - ich habe bis zu 10 cm lange Funken beobachtet, wenn die Röhre nicht evakuiert wird (E/p Messungen bei Lasertätigkeit bestätigen, daß die Entladungsspannung bei ca. 90kV liegt).
Erste Versuche zeigten, daß der ultraviolette Stickstofflaser bei 337 nm und der orange Neonlaser bei 614 nm bei sehr niedrigen Drücken auch in dieser längs gepumpten Röhre beobachtet werden können. Allerdings hat Janus II auch gravierende Nachteile:
(1) Die extreme Spannung ist für ein Heimlabor letztlich zu unhandlich. Alle betroffenen Teile müssen wegen der notwendigen Isolation sehr voluminös sein. Die Standard-Kabel sind ebenfalls nicht genügend isoliert.
(2) Die lange dünne Kapillare läßt sich bei niedrigem Druck im Durchflußbetrieb nur schwer kontinuierlich betreiben. Üblicherweise läßt sich die Lasertätigkeit nur für einige Pulse aufrechterhalten, dann muß abgeschaltet werden, bis sich die Kapillare "durchgespült" hat. Bei Neon (~1.5 Torr) ist das besonders gravierend.
Aus diesem Grund habe ich das Janus-Projekt nun ein zweites Mal abgebrochen.

Bild 1 - Gesamtansicht des Xenotim-Lasers - ein wenig kleiner als meine sonstigen Versuchsaufbauten (s.o.)! Im Hintergrund das Netzteil mit Stromregler für die Diode und Spannungsversorgung für die Peltier-Kühler. Die Kabelverbindungen sind nach Farben geordnet: Rot/Blau für die Diode, Gelb/Schwarz für die Peltier-Kühler und Grün/Grün für die Heizung.

Bild 2 - Detailansicht des Laserkopfes, Abdeckung entfernt. Links ist die Pumpdiode in ihrem TO-3-Gehäuse zu erkennen; die Kollimatorlinse wird durch Messingklammern vor dem Fenster gehalten. In der Mitte die Fokuslinse (senkrechtes Messingblech) und der Kühlkörper, auf dem der DPM-Kristall mitsamt Kühlung und Heizung montiert ist (unter dem Plexiglas-Schutz). Rechts das Teleskop, das den grünen Laserstrahl kollimiert. Sowohl das Diodenmodul als auch das Kristallmodul lassen sich von der Grundplatte abnehmen und für andere Versuche verwenden. (Mit dem kollimierten Pumplaserstrahl kann man schöne feine Lochblenden aus schwarzer Pappe herstellen... ;)

Ich habe mich für eine 500mW-Pumpdiode (808 nm) und einen Casix-Hybridkristall DPM 1101 entschieden, was eine finanzielle Investition in der Größenordnung eines der besseren grünen Laserpointer bedeutete - in der Hoffnung, sehr viel mehr Leistung als von einem Pointer zu erhalten. Letztere wurde erfüllt. :) Alle anderen Teile sind aus dem gewöhnlichen Elektronikhandel, Baumarkt oder ausgeschlachteter Optik.

Netzteil:
Das Herzstück des Netzteils ist ein Labornetzteil-Modul aus dem Elektronikhandel, das es erlaubt, Strom und Spannung seperat zu regeln. Ich habe mich für eine Belastbarkeit von 3 Ampere entschieden, um Raum für spätere Erweiterungen zu haben. Die Spannungsgrobeinstellung habe ich so justiert, daß mit der Feineinstellung Diodenspannungen von 1.5 bis 2.5 Volt möglich sind - das sollte kompatibel zu einer ganzen Reihe von Laserdioden sein. Gespeist wird das Modul von einem Standard-25W-Trafo.
Die Vorversuche mit einem Laserdiodensimulator (2 Si-Gleichrichterdioden und 0.2 Ohm in Reihe) zeigten allerdings, daß die Spannung beim Ein- und Ausschalten ganz hübsche Spitzen hat - es war also nötig, eine Einschaltverzögerung mit einzubauen. Jetzt wird der Diodeneingang erst 1 sec. nach Einschalten freigegeben, beim Ausschalten wird er sofort getrennt. Im ausgeschalteten Zustand ist die Diode kurzgeschlossen (Schutz vor statischer Entladung). Nach gegenwärtig etwa 40 Betriebsstunden und 30 Ein/Aus-Zyklen hat die echte Laserdiode damit bisher keine Probleme bekommen.
Ein zweiter Trafo im Netzteilgehäuse liefert die Spannungsversorgung für die Peltierkühler von Vanadat und und Diode. Ich habe es mir hier einfach gemacht und einfach über einen Gleichrichter Festspannungsregler entsprechender Leistung gespeist. Die Spannung der Peltiers wird über Leistungswiderstände eingestellt.
Ein Ausgang steht mit regelbarer Heizspannung für einen KTP-Heizer zur Verfügung.

Pumpdiode:
Die Laserdiode ist eine 500mW-Diode des Typs L081T500m, Hersteller HTOE. Mein Exemplar hat laut Herstellerangaben eine Wellenlänge von 806.7 nm bei 25 Grad und leistet 500 mW bei 570 mA. Das TO-3 Gehäuse der Diode habe ich mit einem 4W-Peltierkühler auf einen reichlich dimensionierten 1.1 K/W Kühlkörper montiert - auch hier ist also noch mehr möglich. Die Rückseite des Kühlkörpers enthält die Verpolungsschutz-Diode sowie ein RC-Glied als Schutz vor statischen Entladungen. Die Buchsen sind so angebracht, daß ein Kurzschlußstecker als Transportsicherung eingesteckt werden kann.

Pumpoptik:
Die Pumpoptik stammt aus dem ausgeschlachteten Pickup eines verstorbenen CD-Brenners. CDs werden bei einer Wellenlänge von 785 nm gelesen/geschrieben, deswegen eignen sich die Antireflex-Beschichtungen auch noch gut für 808 nm. Die kurzbrennweitige (f = ~3.5 mm) Objektivlinse, auf ein kleines Messingblech geklebt, ist jetzt Kollimatorlinse für die Pumpdiode und Bestandteil des Diodenmoduls. Leider läßt es die numerische Apertur der Linse nur zu, etwa 85% der sehr divergenten Pumpstrahlung zu sammeln, diese werden aber in einem wenigstens auf einem halben Meter halbwegs parallelen Strahl gebündelt. Wegen des Astigmatismus hat der Strahl einen rechteckigen Querschnitt wechselnder Gestalt; die Fokuslinse sitzt in etwa an dem Punkt, an dem der Strahlquerschnitt quadratisch ist.
Die Fokuslinse (f = ~8 mm) ist auf ein eigenes versteiftes Messingblech aufgeklebt. Es kann durch übergroße Befestigungslöcher horizontal und einen Stapel Gummi-O-Ringe und Unterlegscheiben zwischen Blech und Grundplatte vertikal justiert werden.

DPM-Kristall:
Wie schon erwähnt, ist der Kristall ein optisch kontaktierter Hybridkristall DPM 1101 (nicht zu verwechseln mit dem geklebten Kristall DPM 0101) des Herstellers Casix. Er kombiniert 0.5mm Nd:YVO₄; 2mm KTP; Spiegel 1: AR @ 808nm, HR @ 1064nm, HR @ 532nm; Spiegel 2: HR @ 1064nm, AR @ 532nm in einem Kristallmodul. Der winzig kleine Kristall muß bei der Höhe der Pumpleistung gekühlt werden - jedenfalls der darin enthaltene Vanadat, der die Leistung hauptsächlich absorbieren soll. Ich habe den Kristall also mit dem Vanadat-Ende an einen Kühlfinger aus Messing geklebt, und zwar mit Epoxidharz, dem ich reichlich Silberpuder zugesetzt habe (im flüssigen Zustand etwa bis zur Konsistenz von Zahnpasta). Dabei durfte selbstverständlich die verspiegelte Endfläche nicht "versaut" werden, eine nicht einfache Operation. Der Kühlfinger ist auf einen 4W Peltierkühler geklemmt, und mit meinem selbstgebrauten Silberepoxy ist eine ganz gute thermische Anbindung des Kristalls gewährleistet (das habe ich vorher mit einem Dummy getestet).
Das frei abstehende KTP-Ende des Kristalls ist von einer Heizspirale (NiCr, 0.3 Ohm) berührungslos umgeben, mit der ggfs. der KTP temperiert werden kann. Natürlich ist das hier nur eingeschränkt möglich, da Vanadat und KTP in direktem Kontakt stehen. Siehe hierzu auch Bild 3 (unten).

Teleskop:
Das Teleskop hat die Aufgabe, die Divergenz des grünen Laserstrahls etwas zu reduzieren - bei einem Hybridkristall ist sie wegen des kurzen Resonators (2.5 mm) nicht so berühmt. Die Linsen stammen aus einem alten 24.5mm-Mikroskop-Okular und sind unbeschichtet, was leider einige Reflexionsverluste erzeugt. Die alte Okularhülse habe ich zersägt und mit Kupferfittings verlängert, so daß ein 2:1 Teleskop entsteht. Es kann ebenfalls mit übergroßen Befestigungslöchern und untergelegten Gummiringen auf den Strahl hin justiert werden.

Bild 3 - Vergrößerte Detailansicht der Kristallmontierung. Der Kristall selbst ist nur schwer erkennbar, deutlicher zu sehen sind nur der Messing- Kühlfinger, an dem das Vanadat-Ende mit Silberepoxy klebt, und die NiCr-Heizspirale, die das KTP-Ende frei umgibt. Unter der transparenten Plexiglas-Klemmfassung ist teilweise auch der thermoelektrische (Peltier-) Kühler zu erkennen.

Diagramm 1 - Die Orientierung des DPM-Kristalles ist nicht egal, weil der Vanadat polarisatonsabhängig absorbiert. Wegen der angesetzten Glasplättchen am DPM 1101 läßt sich das gut darstellen, hier ist die Orientierung gezeigt, die ich für meinen Kristall ermittelt habe. Die Absorption der Pumpstrahlung ist in dieser Ausrichtung rund doppelt so groß wie um 90 Grad gedreht. Um das zu messen, braucht man übrigens die Pumpoptik nicht unbedingt, es genügt, die Schwächung des nur kollimierten Pumpstrahles niedriger Leistung mit einer Photodiode oder Solarzelle zu messen.

Die Temperaturregelung von Diode und Kristall erfolgt manuell. Ich habe eine ganze Menge Meßreihen durchgeführt, um die Temperatur der Diode bei verschiedenen Stromvorgaben und Einstellungen des Peltierkühlers für eine bestimmte Umgebungstemperatur zu ermitteln. Auch die Einstellung des Vanadat-Kühlers bei einer bestimmten Umgebungstemperatur und die davon abhängige Ausgangsleistung habe ich systematisch vermessen; zum Laser gehört jetzt also eine Tabelle, die abhängig von Umgebungstemperatur und Diodenstrom die optimalen Einstellungen der Kühler (und der Heizung) vorgibt.
Der Einfluß des KTP-Heizers ist hochgradig nichtlinear. Oft ist ja zu lesen, daß er bei den kleinen Hybridkristallen nicht einsetzbar ist. Meiner Erfahrung nach stimmt das so nicht. Bei niedriger bis mittlerer Pumpleistung kann durch Feinjustierung der Heizung die Ausgangsleistung um 5-10% erhöht werden.

Niedrige Pumpleistung:
In diesem Bereich reicht die Erwärmung des Kristalls durch die absorbierte Pumpstrahlung nicht, um den KTP auf optimale Temperatur zu bringen. Vanadatkühlung nicht notwendig (hat sogar negativen Einfluß), KTP-Heizung bringt Erhöhung der Ausgangsleistung.

Mittlere Pumpleistung:
Die absorbierte Pumpleistung ist hier schon so groß, daß eine Kühlung des Vanadats dringend notwendig wird. Der optische Fluß im Resonator ist aber noch nicht so groß, daß der KTP gegen die Vanadatkühlung genügend erwärmt wird. Heizung des KTP-Endes (in einigen Fällen schwach, in anderen stärker) bringt hier teilweise immer noch Erhöhung der Ausgangsleistung.

Hohe Pumpleistung:
Pumpleistung und optischer Fluß im Resonator machen jetzt eine starke Kühlung des Vanadates notwendig. Die Verluste erwärmen jetzt aber den KTP genügend, so daß die KTP-Heizung eher schadet.

Es kann natürlich darüber spekuliert werden, ob die Heizung vielleicht nur eine Feinregulierung der Temperatur des gesamten Kristalles bewirkt. Ich habe das nachgemessen, indem ich das Verhältnis der 532nm- zur 1064nm- Laserstrahlung am Ausgang mit Hilfe von Filtern bestimmt habe (meine Filter waren leider von nicht so guter Qualität, so daß ich die totale Leistung nicht direkt messen konnte). Auch wenn die totale Strahlleistung (532 + 1064nm) nicht viel zunimmt, ändert sich das Verhältnis zugunsten der grünen Komponente doch ziemlich, was für einen Einfluß der KTP-Temperatur spricht:

Man kann hier schön erkennen, daß die Leistung (532:1064nm) sich von fast 1:3 auf etwa 1:1.5 verbessert. Diese Messungen wurden ebenso wie alle folgenden mit einer monokristallinen (blauen) Si-Solarzelle durchgeführt. Die spektrale Empfindlichkeit bei den verschiedenen Wellenlängen ist berücksichtigt.
Die erreichbare grüne Ausgangsleistung des Xenotim-Lasers mit allen Einstellungen auf (bis jetzt) optimalen Werten gibt abhängig vom Diodenstrom die folgende Tabelle an. Sie gilt allerdings nur für die optimale Position des Pump-Fokus im Vanadatkristall, der in diesem Fall sehr dicht an der gekühlten Fläche liegt. An anderen Punkten, etwa mitten auf der Kristallfläche, erreicht die maximale Leistung nur etwa 15 mW (bei 400 mA) und kann dann auch durch Erhöhung der Pumpleistung nicht mehr gesteigert werden. Das zeigt ganz klar den Einfluß der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Vanadat, die etwa so hoch wie die von Glas ist.
Die Werte entsprechen größenordnungsmäßig in etwa dem, was Casix im Datenblatt vom DPM 1101 verspricht, sofern die Reflexionsverluste im Teleskop berücksichtigt werden:

Bild 4 - Ansicht des Strahls in der Abenddämmerung, Leistung etwa 30 mW. Das Bild wurde *ohne* die Verwendung von Nebel oder Rauch aufgenommen, lediglich die natürliche Streuung des Laserstrahls an in der Luft vorhandenen Staubpartikeln läßt ihn sichtbar werden.

Bild 5 - Strahlreflex in ca. 12 m Abstand an meiner Wohnzimmerwand. Der Kernstrahl ist überbelichtet und erscheint daher auf dem Bild weiß. Ebenfalls nur auf dem Bild sichtbar ist der rötliche Bogen unterhalb, hier hat die Kamera offenbar den nicht absorbierten Anteil der Pumpstrahlung aufgenommen. Mit bloßem Auge ist er unsichtbar, läßt sich aber mit dem IR-Indikator nachweisen. Die irregulären grünen Flecken sind Reflexionen an den unvergüteten Linsen des Teleskopes.

Bild 6 - Was hier wie ein Blick in den Lichtbogen eines Elektro-Schweißgerätes erscheint, ist ein Photo der gestreuten Pumpstrahlung im geöffneten Lasergehäuse. Mit dem bloßen Auge ist nur die verhältnismäßig schwache gestreute grüne Laserstrahlung zu sehen (hier z.B. auf den Kühlrippen des Kristallmoduls, Rest ist überstrahlt). Die vollkommen weiß überbelichtete Pumpstrahlung ist mit bloßem Auge nur in Form eines winzigen roten Pünktchens auf der Endfläche des Kristalls zu sehen - eine deutliche Demonstration, wie sehr das *sichtbare* Laserlicht aus einer Pumpdiode täuschen kann!

Im Strahl finden sich erhebliche Anteile unsichtbarer infraroter Laserstrahlung, sowohl von nicht absorbierter Pumpstrahlung als auch infraroter Strahlung, die aus dem Resonator entweicht (schließlich ist nicht mal ein hochreflektierender Laserspiegel vollkommen perfekt). Diese hat in beiden Fällen die Größenordnung des erwünschten grünen Laserstrahles, ist also durchaus nicht unerheblich. Ich habe das für einen bestimmten Fall mal im Detail durchgemessen:

Messung bei 500 mA Diodenstrom
Diodentemperatur 24.3 Grad (entspr. 806.1 nm), Vanadat-Kühlfinger 14 Grad, KTP-Heizer "aus"
Umgebungstemperatur 18.5 Grad
1064nm-Strahlung läßt sich im Fernfeld ca. 1 Durchmesser neben der 532nm-Strahlmitte nachweisen.

	Wellenlänge	Wert
elektrische Eingangsleistung Diode:	-	~900 mW
Pumpleistung Diode:	806 nm	460 mW
Nettoeingangsleistung Kristall:	806 nm	390 mW
nicht absorbierte Pumpleistung (divergent):	806 nm	>15 mW
Leistung Kristall infrarot:	1064 nm	20 mW
Leistung Kristall grün:	532 nm	28 mW
Pumpstrahlung hinter Teleskop:	806 nm	13 mW
davon Anteil im Hauptstrahl (mit Lochblende):	806 nm	1.5 mW
Infrarot hinter Teleskop:	1064 nm	17 mW
Grün hinter Teleskop:	532 nm	24 mW

Diagramm 2 - Die Tatsache, daß meine Diode ein bißchen kurz in der Wellenlänge ist und das kalte Winterwetter im Januar 2005 machten es möglich, das untere Ende vom Vanadat-Absorptionspeak zu vermessen. Die Absorption wird hier durch die Laserleistung wiedergegeben. Eingangsleistung konstant niedrig ~160 mW (300 mA Diodenstrom), Vanadat-Kühlung und KTP-Heizer beide abgeschaltet. Wellenlänge über Temperaturregelung der Diode im Bereich von +7 Grad bis +26 Grad variiert. Man beachte das lokale Maximum bei etwa 804 nm, das einem der Nebenabsorptionsmaxima innerhalb des 808-nm-Peaks von Vanadat entspricht. Wird im Sommer aktualisiert...! :)

Fazit:
Es muß nicht immer eine 1W oder 2W Pumpdiode sein, die einen DPM-Kristall fast zu Tode röstet, um mit einem einfachen Aufbau zu beachtlichen Ausgangsleistungen zu kommen, wie das so oft in Hobby-Laser Foren gepostet wird. Etwas Temperaturoptimierung tut's auch bei moderater Pumpleistung, und der Kristall wird es durch langes Leben danken.
Der Xenotim-Laser war trotz der vielen Regelmöglichkeiten der einfachste Laser, den ich je gebaut habe, einer der billigsten, er ist mit Sicherheit der energiesparendste und bei weitem am leichtesten zu transportieren. Einmal aufgewärmt und auf optimale Leistung eingestellt, kann ich ihn für Stunden praktisch unbeobachtet laufen lassen, sofern die Umgebungstemperatur halbwegs konstant ist. Er benötigt keine Verbrauchsmaterialien. Und er gibt Laserstrahlung in einer bisher unerreichten Größenordnung ab.
Dennoch scheue ich mich, den Xenotim-Laser als echten Eigenbau zu bezeichnen. Er ist sicher ein vielseitig verwendbares relativ robustes Werkzeug, doch ist sein Herzstück, der DPM-Kristall, bereits ein fertig gekaufter Laser ähnlich einer HeNe-Laserröhre. Letztlich habe ich wenig mehr getan als ihn mit Pumpenergie und Kühlung zu versorgen.

Bild 1 - Die letzte Spur meines Farbstoff-Laserprojektes aus den frühen 1980er Jahren ist eine Zeichnung. Der Entwurf trägt noch deutliche Spuren des "Farbstoffküvette statt Rubin" - Gedankens. Ich habe ihn so wie gezeichnet gebaut, er hat natürlich nicht funktioniert. Auch spätere Umbauten brachten keinen Erfolg, so daß ich ca. 1985 aufgab.

Bild 2 - Nachdem meine alte Siemens- HeNe-Laser- Röhre nach 17 Jahren doch aufgegeben hat, bin ich, als ich für meine Röhren- Audioverstärker- Experimente beim Jan Wüsten gestöbert habe, auf diese Melles-Girot- HeNe-Röhre gestoßen. Die mußte ich als Ersatz natürlich haben. Gemessen 1.8 mW linear polarisiertes Laserlicht bei 633 nm gibt sie aus, bei ca. 7 mA Entladungsstrom und einer Röhrenspannung von ca. 1800 Volt.

Bild 3 - Fernfeld-Aufnahme (12 m) des HeNe-Laserstrahls. Durch den hohen Kontrast erscheint der Fleck auf dem Foto zu gelb. Vergleiche diese Aufnahme mit der entsprechenden des Xenotim-Lasers -- HeNe-Laser haben einfach immer noch eine atemberaubend niedrige Divergenz...

Bild 4 - Ein roter Dioden - Laserpointer der ersten Generation (670 nm Wellenlänge). Zeitweilig war das der einzige funktionierende Laser, den ich noch besaß. Ich benutze den Pointer noch, um den Spiegel der Querflöte und Janus II Laser zu justieren.

Bild 5 - Noch einmal der Pointer mit rotem Laserpunkt. Durch die lange Belichtung erscheint der Punkt allerdings viel zu groß.

Bild 6 - Ein Nd:YVO4-Mikrolasermodul, daß ich von einem professionellen Laseringenieur geschenkt pekommen habe (danke, Peter!). Ich habe nur den Kühlkörper und den Batterieblock hinzugefügt. Insgesamt ein schöner Laser für das Reisegepäck, klein und leistungsstark. Je nach Temperatur gibt er 5-10 mW bei 532 nm ab.

Bild 7 - Die Pumpdiode meines Xenotim-Projektes bildet auch für sich allein einen eindrucksvollen Diodenlaser. Die Leistung von 500 mW bei 807 nm reicht aus, um schwarze Gegenstände für den ahnungslosen Zuschauer in eindrucksvoller Weise anzubrennen... :)

[1] Kirkland, Dogett & Kim:
    Vacuum-UV H2-Laser excited by a travelling-wave discharge,
    Rev. Sci. Inst. 52(1981) p.1338
    
[2] Erikson & Lidholt:
    Superradiant transitions in argon, krypton and xenon
    IEEE J. Quan. Elec. QE-3(1967) p.94
    
[3] Papadopoulos & Serafetinides:
    Investigation of the electrical characteristics of charge transfer circuits used in gas laser excitation,
    J. Appl. Phys. D 24(1991) p.1917

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