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Frequenzverdopplung von Laserlicht mit KDP-Kristall
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Frequenzverdopplung 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.


Geräte und Materialien:

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

Kaliumdihydrogenphosphat-Einkristall (KDP)

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


Hinweise:

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




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 ungefährlicher 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 Verdopplungseffektes besser beobachten zu können, das bei der ersten meist noch ungenaueren Ausrichtung nur 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 ein sicherer Betrieb gewährleistet, kann der Nd:YAG-Laser eingeschaltet werden.
Bei korrekter Platzierung des Kristalls (Strahlfokus/Winkel zum Strahl) sollte jetzt eine Frequenzverdopplung (grünes Licht) beobachtet werden können.
Der Effekt kann eventuell (bei noch nicht optimaler Ausrichtung) 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 (1064 nm) den Kristall, sondern auch solche mit der doppelten Frequenz (532 nm).
Bei entsprechender Laserleistung ist so auch eine Frequenzverdreifachung (THG, third harmonic generation) möglich.


Bilder:


KDP-Kristalle


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


Aufbau von oben


Frequenzverdoppeltes 532 nm Laserlicht, diffus auf weissem Papier sichtbar


Frequenzverdoppeltes 532 nm 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 Versuchsablaufs!

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Hopfen und Malz-Gott erhalt´s
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