Frequenzverdoppelung von Laserlicht mit selbst hergestellten
und unbearbeiteten Kaliumdihydrogenphosphat Kristallen (KDP)


Bestimmte doppelbrechende Materialien sind in der Lage, die Wellenlänge von Laserlicht hoher Intensität zu "verdoppeln".
In diesem Versuch wird für das Auge unsichtbares Infrarotlicht (1064nm) eines Nd:YAG Lasers auf grünes sichtbares Licht (532nm) verdoppelt.

Hinweise:
Achtung! Laserstrahlung! Nicht in den Strahl blicken! Gefahr von Netzhautverbrennungen!
Gefahr durch nicht sichtbare Reflexionen im Infrarotbereich!


Geräte:
Laserschutzbrille für IR und 532nm
Nd:YAG Laser
Goniometer (oder ähnlich verstellbare Auflage für Kristall)
Plankonvexlinse
Weißes Blatt Papier (heller Hintergrund)

Materialien:
Kaliumdihydrogenphosphat Einkristall (KDP)

(Herstellungshinweis: http://illumina-chemie.de/kaliumdihydrogenphosphat-%28kdp%29-t3256.html )

Durchführung:
Ein KDP Kristall wird auf einer Auflage vor dem Laser (Goniometer) platziert.
Vor dem Kristall wird eine Plankonvexlinse verwendet, um den Laserstrahl auf den Kristall zu fokussieren.
Der Kristall wird nun bei ausgeschalteten Laser möglichst genau,mit einem Winkel von 55° Kristallachse zum Laserstrahl ausgerichtet.
(Zum Fokussieren kann ein zweiter Laser mit ungefärlicher Leistung im sichtbaren Lichtspektrum verwendet werden.)
Der Fokus sollte bei Verwendung eines sehr starken Lasers eventuell nicht direkt im Kristall, sondern sehr knapp vor dem Kristall liegen,
da der Kristall bei zu starker Leistungsaufnahme durch Hitzewirkung platzen kann. Hiervon sind besonders Kristalle mit Wachstumsstörstellen betroffen,
die bei starker und schnellwechselnder Temperaturschwankung durch Wärmedehnung explosionsartig zerstört werden können.

Hinter dem Kristall sollte ein weisses Blatt Papier als Hintergrund gebracht werden um das grüne Licht des Verdoppelungseffektes besser beobachten zu können,
das bei der ersten meisst noch ungenaueren Ausrichtung sehr schwach sein kann.

Eventuelle Reflektionen müssen unbedingt beachtet werden und der Strahlengang muss genau bedacht sein!
Der Aufbau sollte daraufhin noch einmal gewissenhaft überprüft werden!
Eine Strahlfalle am Ende des absehbaren Strahlengangs ist ebenso wie eine Laserschutzbrille empfehlenswert!

Ist einn sicherer Betrieb gewährleistet, kann der Nd:YAG Laser eingeschaltet werden.
Bei korrekter Platzierung des Kristalls (Strahlfokus/Winkel zum Strahl) sollte jetzt eine Frequenzverdoppelung (grünes Licht) beobachtet werden können.
Der Effekt kann eventuell durch nachjustieren des Winkels und Fokussierung des Strahls verbessert werden.

Erklärung:
Das elektrische Feld des einfallenden Lichts regt die elektrischen Ladungen der Atome zu Schwingungen an.
Bei entsprechender Kristallstruktur geeigneter Materialien und genügend Laserleistung schwingen die Ladungen nicht mehr nur rein sinusförmig
und synchron mit der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes,
zusätzlich durch die grössere Auslenkung der Ladungsschwingung enstehen "Oberwellen".
Solch eine Schwingung läßt sich auch als Beimischung höherer Frequenzen (ähnlich Obertönen) verstehen.
Somit verlassen nicht nur Photonen mit der ursprünglichen Schwingfrequenz (1064nm) den Kristall, sondern auch solche mit der doppelten Frequenz (532nm).
Bei entsprechender Leistung ist so auch eine Frequenzverdreifachung möglich (THG).

Bilder:


KDP Kristalle


Der Versuchsaufbau (hinten der Laser, unten rechts der KDP-Kristall auf dem Goniometer)


Aufbau von oben


Frequenzverdoppeltes 532nm Laserlicht,diffus auf weissen Papier sichtbar


Frequenzverdoppeltes 532nm Laserlicht,besser fokussiert auf schwarzem Hintergrund sichtbar.
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Ein herzlicher Dank geht an andythemechanic und VDX von Laserfreak,
für die Hilfe,praktische Durchführung und Verfügungstellen der Fotos des Versuchsablaufes!