Wie misst man die Breite eines sehr schmalen spektralen Peaks ohne teure Instrumente?

Um die Breite der Laserlinie zu messen, können Sie ein Michaelson-Interferometer bauen, bei dem die Länge eines Strahlengangs einstellbar ist. Messen Sie den Interferenzstreifenkontrast als Funktion der Weglängendifferenz. Die Linienbreite steht in umgekehrtem Verhältnis zum Bereich der Weglängendifferenz, über die Sie die Streifen sehen können. Ein Einzelfrequenzlaser erzeugt also Streifen über mehrere Meter Weglängenunterschied, während ein billiger HeNe-Laser nur über etwa 30 Zentimeter Weglängenunterschied sichtbare Streifen erzeugt. Der Bereich der Weglängendifferenz, über den Streifen mit hohem Kontrast erhalten werden, wird als Kohärenzlänge bezeichnet. Frühe violette Diodenlaser hatten nur etwa einen Millimeter Kohärenzlänge. Jetzt ist es möglich, Diodenlaser mit vielen Zentimetern Kohärenzlänge zu kaufen.

Bearbeiten: Manchmal wird fälschlicherweise angegeben, dass die Kohärenzlänge gleich oder abhängig von der Hohlraumlänge ist. Das ist meistens Unsinn. Ein Laserresonator beliebiger fester Länge kann nur bestimmte Oszillationsmoden unterstützen, das Lasermedium wird nur einen begrenzten Wellenlängenbereich verstärken und die Resonatorspiegel werden nur einen bestimmten Wellenlängenbereich effizient reflektieren. All diese Faktoren begrenzen zusammen die Oszillationsmoden, die zum Ausgangsstrahl beitragen. Je mehr Moden in der Ausgabe vorhanden sind, desto breiter ist die Linienbreite des Lasers; und je breiter die Linienbreite, desto kürzer die Kohärenzlänge. Wenn nur ein Oszillationsmodus zum Output beiträgt, ist der Laser monofrequent und hat eine sehr lange Kohärenzlänge: oft in der Größenordnung von zehn Metern oder mehr.

Eine weitere Sache kann die Anzahl der Moden begrenzen, die zum Ausgangsstrahl beitragen: ein Etalon in der Kavität. Ein Etalon ist im Wesentlichen eine flache Glasplatte. Das Etalon selbst überträgt nur bestimmte Lichtwellenlängen effizient, abhängig von der Dicke der Platte und dem Einfallswinkel des Strahls. Wenn sich ein Etalon in der Laserkavität befindet und genau auf einen der "natürlichen" Modi des Lasers abgestimmt (gekippt) ist, wird nur dieser Modus verstärkt und der Laser gibt eine einzelne Frequenz mit vielen Metern Kohärenzlänge aus. Bei einem Diodenlaser mit einem Resonator hoher Finesse kann die Resonatorlänge so kurz sein, dass nur ein optischer Modus unterstützt wird. In diesem Fall fungiert der Diodenlaser als sein eigenes Etalon und gibt einen Einzelfrequenzstrahl aus.

Manchmal wird behauptet, dass die Ursache für eine kurze Kohärenzlänge in einem Laser "zufällige Phasenverschiebungen" sind. Das ist irgendwie wahr, aber meistens falsch. Wenn es möglich wäre, die momentane Phase eines Laserstrahls mit endlicher Kohärenzlänge zu messen, würde sich die Phase zwar schnell ändern. Es scheint sogar, dass die Variation zufällig ist. Die Phasenvariation wäre jedoch auf das Vorhandensein mehrerer überlagerter Wellenlängen-/Frequenzkomponenten (Moden) im Strahl zurückzuführen. Im Wesentlichen würde die Phasenvariation bei einer Mischung von Frequenzen auftreten, die den Frequenzdifferenzen zwischen den verschiedenen Moden entsprechen , die von dem Laser ausgegeben werden. Es ist alles andere als zufällig. Natürlich ändert alles, was die Modenstruktur des Lasers verändert, wie z. B. Temperaturdrift, langsam den Frequenzinhalt des Lasers.

Fazit: Messen Sie die Kohärenzlänge Ihres Lasers, und das gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die Linienbreite. Auf dieser Website finden Sie die Formel zur Berechnung der Linienbreite aus der Kohärenzlänge.