LOT-Oriel - Nd:YAG-Laser - Lasersynchronisation mit dem Experiment

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Nd:YAG-Laser
Lasersynchronisation mit dem Experiment

Die Anpassung eines Q-Switch-Nd:YAG-Lasers an das Experiment ist einfach, bedarf aber eines genauen Verständnisses der Abläufe und des Zusammenspiels von Blitzlampe und Q-Switch.

Die Blitzlampe erzeugt einen optischen Puls für die Populationsinversion im Nd:YAG-Stab. Die Entladung der Lampe dauert einige hundert Mikrosekunden. Betrachtet man während der Entladung die Besetzung des oberen Energiezustand, dann steigt diese zunächst an und fällt nach Erreichen eines Maximums aufgrund von Relaxationen wieder ab.

Eine Pockelszelle übernimmt die Funktion des Q-Switch und sorgt dafür, dass der Laserresonator zu einem optimalen Zeitpunkt „transparent“ wird. Erreicht die Besetzungsinversion ihr Maximum, wird dieser optische Schalter „geöffnet“ und der Resonator gewinnt sprunghaft an Güte („Quality“). Es folgen wenige Durchgänge des Photonenpaketes zwischen den beiden Resonatorspiegeln, gefolgt von dem energiereichen Puls aus dem Laser. Aus diesen Vorgängen wird deutlich, wie wichtig die präzise zeitliche Abstimmung von Lampe und Q-Switch ist. Wird die Pockelszelle zu früh oder zu spät geöffnet, hat das geringere Pulsenergien zur Folge (was manchmal ja auch gewünscht ist).

Doch wie kommt man damit zur Synchronisation? Bei der internen Triggerung gibt die Uhr des Lasers alle Signale für Blitzlampe und Q-Switch vor. Der Anwender kann diese Signale zeitgleich über BNC-Anschlüsse für sein Experiment verwenden („Q-Switch Synchro Out“ und „Flash Lamp Synchro Out“). Das Signal zu der Blitzlampe hat nur eine geringe Genauigkeit in Bezug auf den Laserpuls (Jitter im µs-Bereich). Im Gegensatz dazu ist das Signal für die Pockelszelle mit einem Jitter im Nanosekunden-Bereich sehr präzise.

Eine alternative Betriebsart ist die externe Triggerung. Der Laser wartet auf die Signale für Blitzlampe und/oder Q-Switch. Das externe Triggersignal zur Blitzlampe muss in der Regel mit der werkseitig optimierten Pulsfrequenz vorliegen. Hinsichtlich der Triggerung der Pockelszelle ist der zeitliche Abstand zur Lampenentladung („Q-Switch Delay“) genau einzuhalten.

Dieses soll an zwei Beispielen erläutert werden.

1) Eine ICCD-Kamera mit Spektrograph soll ein laserinduziertes Plasma aufnehmen.

Die ICCD-Kamera hat eine Öffnungszeit von 5 ns und benötigt einen Pre-Trigger mindestens 35 ns vor dem Öffnen. Als Laserstrahlquelle wird der Brilliant verwendet. Über den BNC-Ausgang des Lasers „Q-Switch Synchro Out“ wird ein TTL-Signal synchron zum Laserpuls erhalten. Dieses Signal kann zeitlich vor oder nach dem eigentlichen Öffnen der Pockelszelle (+/- 500 ns) eingestellt werden.

Mit der Einstellung +100 ns wird also das Plasma zu einem Zeitpunkt etwa 135 ns nach dem Laserpuls beobachtet. Andere Zeiteinstellungen erlauben eine schrittweise Beobachtung des zeitlichen Plasmaverhaltens.

2) Zwei Nd:YAG-Laserköpfe sollen mit einem Zeitabstand von 100 ns Laserpulse abgeben.

Laserkopf A ist der „Master“ und Kopf B der „Slave“. Da der Abstand der beiden Pulse genau 100 ns betragen soll, ist in die Synchronisation sowohl die Lampe wie auch der Q-Switch einzubeziehen. Wie schon im obigen Beispiel wird das Verhalten am Brilliant erläutert.

Laser A wird durch die interne Uhr getriggert, Laser B hingegen ist in dem Modus „Externer Trigger“, d.h. der Laser erwartet sowohl für die Lampe als auch für den Q-Switch ein Signal.
Es werden folgende Verknüpfungen gemacht:

Laser A ==> Laser B

Lamp
Synchro Out ==> Synchro In

Q-Switch
Synchro Out (+100 ns) ==> Synchro In

Der Brilliant Laser A liefert also die notwendigen Signale für den zweiten Laser, auch wird wieder die Möglichkeit zur internen zeitlichen Einstellung des „Q-Switch Out”-Signals genutzt und man spart den Pulsgenerator.

Da sich die von uns angebotenen Laser unterscheiden, ist es wichtig, die Synchronisation von Fall zu Fall zu betrachten. Deutlich aufwändiger ist die Synchronisation von ps- oder fs-Oszillatoren (Laser von Time-Bandwidth), aber auch hier bieten wir Lösungen an. Sprechen Sie uns einfach an.

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