Farbstofflaser (Dye Laser) im Eigenbau

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Der Laser

Das aktive Medium eines Farbstofflasers ist die Lösung eines fluoreszierenden organischen Farbstoffs (z.B. Rhodamin) in einem geeigneten Lösungsmittel (z.B. Methanol). Die Besetzungszahl-Inversion und damit die Voraussetzung zur Erzeugung von Laserlicht erreicht man, indem man die Farbstofflösung mit intensivem Licht bestrahlt. Diesen Vorgang nennt man optisches Pumpen. Das "Pumplicht" kann man mit Blitzlichtlampen oder mit andern Lasern erzeugen. Wenn man einen Farblaser selbst bauen will, liegt es nahe, als Pumplaser einen Stickstofflaser (N2-Laser) zu verwenden. Einen Stickstofflaser kann auch ein handwerklich weniger begabter Laserenthusiast mit geringem finanziellen Aufwand selbst herstellen.  Er ist als Pumplaser geeignet, weil er UV-Licht erzeugt. Der Nachteil des Stickstofflasers ist, dass er nur im Impulsbetrieb betrieben werden kann, so dass der gepumpte Farblaser ebenfalls "nur" als Impulslaser arbeitet. Das hat aber den Vorteil, dass man sich um eine Menge technischer Probleme, die bei kontinuierlich strahlenden Farbstofflasern auftreten, nicht kümmern muss.

Hier wird als Pumplaser ein selbst gebastelter N2-Laser verwendet, der mit Luft bei Normaldruck arbeitet. Die Spannung für die Funkenentladung, die für die Anregung der Stickstoffmoleküle sorgt, beträgt knapp 10 kV. Die Schneiden, zwischen denen die Entladung stattfindet und die den Kanal für das Laserlicht bilden, sind etwas über 20 cm lang. Der Bau von Stickstofflasern wird an viele Stellen beschrieben. Hier ist ein Link auf einen Bericht über ein vor vielen Jahren durchgeführtes Unterrichtsprojekt am Gymnasium Korschenbroich.

Die Wellenlängen des von den Farbstoffen emittierten Lichts wurden mit einem Gitter von 600 Linien/mm gemessen. Die Messungen erheben natürlich keinen Anspruch auf die in wissenschaftlich Publikationen übliche Genauigkeit. Da kein Laser-Resonator benutzt wurde, der eine bestimmte Wellenlänge selektiert, handelt es sich auch nur um einen Mittelwert des von dem jeweiligen Farbstoff emittierten Spektrums. Die Farbstoffkonzentrationen der verwendeten Lösungen orientieren sich an den Werten, die in dem Standardwerk "Lambdachrome Laser Dyes" von U. Brackmann vorgeschlagen werden. 

Für einige Laserfarbstoffe wird in der Literatur das Lösungsmittel DMSO empfohlen. In den hier beschriebenen Experimenten mit Pyridin 1 und Styryl 9 wurde wegen der toxischen Eigenschaften von DMSO als Lösungsmittel Methanol verwendet. Auch damit konnten diese Farbstoffe zur Laseraktivität angeregt werden. Welchen Einfluss diese Maßnahme auf die Intensität des Laserimpulses hatte, kann ich nicht beurteilen.

Der links aufgebaute Stickstofflaser pumpt den Farbstofflaser (rechts). Als Hochspannungsnetzteil dient ein alter SW Fernseher, der knapp 10 kV liefert. Das blaue Kunststoffkästchen deckt die Funkenstrecke ab und dämpft so das grelle Licht und vor allem den Lärm der Überschläge. Zwischen dem Pumplaser und der Küvette, die den Farbstoff enthält, steht eine Zylinderlinse, die den Strahl des Stickstofflasers auf die Küvette fokussiert.

 

Das Prinzip des Farbstofflasers

Skizze des Farbstofflasers: Der eigentliche Laser ist der winzige Bereich in der Küvette, in dem der Farbstoff von dem fokussierten Licht des N2-Lasers angeregt wird. Dieser Bereich ist auf den unten gezeigten Fotos gut zu sehen. Die Seitenwände der Küvette bilden den Laser-Resonator.

 

Der Farbstofflaser mit konventionellen Farbstoffen in Aktion:

 

Rhodamin 6G

Rhodamin ist der  Standardfarbstoff für Farbstofflaser. Die Farbe des Laserlichtflecks ist auf dem Foto nicht korrekt wiedergegeben. In Wirklichkeit ist sie gelb. Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 1,63 g/l  Gemessene Wellenlänge: l = 576 nm.

 

Coumarin 47

Bei Coumarin 47 ist es sehr einfach, Laseraktivität zu erreichen. Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 0,66 g/l  Gemessene Wellenlänge: l = 457 nm.

 

Pyridin1

Pyridin 1 ist relativ schwierig zur Laseraktivität anzuregen. Der Pumplaser muss optimal eingestellt sein.  Der Auftreffpunkt des Laserimpulses ist schwer zu sehen, da das emittierte Licht im Grenzbereich von Rot und Infrarot liegt. Deswegen wurde diese Aufnahme bei sehr geringer Helligkeit gemacht. Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 0,58 g/l  Gemessene Wellenlänge: l = 703 nm.

 

Rhodamin B

Es ist unproblematisch, Rhodamin B zur Laseraktivität anzuregen. Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 2,13 g/l  Gemessene Wellenlänge: l = 600 nm.

 

Coumarin 2

Mit Coumarin 2 erhält man eine ähnliche Wellenlänge wie bei Coumarin 47, es ist aber nicht ganz so einfach anzuregen. Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 0,4 g/l  Gemessene Wellenlänge: l = 463 nm.

 

Nilblau

Es ist nicht schwierig, Nilblau zur Laseraktivität anzuregen, aber der Laserimpuls ist schwach. Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 0,45 g/l  Gemessene Wellenlänge: l = 683 nm.

 

Coumarin 307

Coumarin 307 ist einfach anzuregen, die Laserimpulse sind intensiv und die Farbe ist ein grünliches Cyan. Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 1,6 g/l  Gemessene Wellenlänge: l = 507 nm.

 

Coumarin 153

Coumarin 153 ist nicht ganz einfach anzuregen. Die Laserimpulse sind gelbgrün. Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 3,1 g/l  Gemessene Wellenlänge: l = 554 nm.

 

Der Laserfarbstoff Styryl 9

Bei Verwendung von Styryl erhält man einen infraroten Laserimpuls, der nicht mit bloßen Auge zu sehen ist. Auch eine Indikatorkarte zeigte bei den durchgeführten Versuchen nichts an. Der Laserstrahl wurde daher mit einer Linse kollimiert und auf ein (ca. 30 cm von der Küvette entferntes) Stück Transparentpapier projiziert. Die dazu notwendigen Einstellungen wurden mit einer Laserfarbe mit sichtbarem Wellenlänge durchgeführt. Dann habe ich bei Dunkelheit den von der Styryl-Küvette erzeugten Laserpunkt mit einem Nachtsichtgerät (hab ich mal bei Tschibo gekauft, um Eulen zu beobachten, aber nie eine gesehen) beobachtet. Da das Nachtsichtgerät für die Beobachtungen aus Entfernungen von mindestens mehreren Metern gedacht ist (also sozusagen weitsichtig ist), braucht es noch eine Lupe als "Brille". 

Anordnung zur Beobachtung des infraroten Laserimpulses, der von Styryl erzeugt wird. In der Bilddiagonale sieht man von oben rechts nach unten links: Die Küvette mit Styryl (das hier fast schwarz aussieht), die Kollimatorlinse, ein Lineal mit aufgeklebtem Transparentpapier (das sonst zur Wellenlängenmessung verwendet wird), die Lupe (= Brille des weitsichtigen Nachtsichtgeräts) und das Nachtsichtgerät.

Durch das Nachtsichtgerät zu fotografieren ist nicht ganz einfach. Jedenfalls ist der helle Fleck, den man etwas links oberhalb der Mitte sieht, der Auftreffpunkt des Styryl-Laserimpulses auf dem Transparentpapier.  Lösungsmittel: Methanol. Konzentration: 1,03 g/l.  Gemessene Wellenlänge: l = 830 nm.

Auf diese Weise konnte man den Laserfleck wie bei den "normalen" Laserfarben beobachten, wenn die Styryl-Küvette die richtige Entfernung von der Zylinderlinse hatte. Die Messung der Wellenlänge des Styryl-Laserlichts war ziemlich mühsam, da die Intensität der ersten Beugungsordnung bei dem verwendeten Gitter sehr gering war. Der gemessene Wert von 830 nm könnte daher mit einem erheblichen Fehler behaftet sein. Immerhin liegt er in der Nähe des Literaturwerts von 840 nm.

 

Uranin als Laserfarbstoff

Besonders angenehme Eigenschaften hat der Farbstoff Uranin (Dinatrium Fluorescein):

1. Uranin gilt als biologisch unbedenklich. Deswegen wird es auch dazu verwendet, Wasserläufe zu verfolgen und Kosmetika zu färben. 
2. Uranin kostet im Vergleich mit anderen Laserfarbstoffen wenig  (10g im einstelligen Eurobereich). Auch dieser preiswerte Farbstoff ist für Farbstofflaser geeignet.
3. Als Lösungsmittel kann nicht nur Methanol, sondern auch Wasser verwendet werden. 
4. Es ist unproblematisch, eine Uraninlösung richtiger Konzentration (sowohl in Methanol als auch in Wasser)  zur Laseraktivität anzuregen. Das Laserlicht ist grün (ca. 535 nm) 

Der "Uraninlaser". Die typische gelb-grüne Färbung der Uraninlösung in der Küvette ist deutlich zu sehen. Mischungsverhältnis: ca. 1,3g Uranin auf einen Liter Methanol. Gemessene Wellenlänge: l = 535 nm.

 

Laserfarbstoff aus einem Textmarker

Das untere Bild zeigt, wie die Einzelteile des oben abgebildeten Textmarkers aussehen.

Der oben abgebildete Textmarker stammt aus einer Supermarktkette und kostete ca. 50 Cent. Wenn man ihn auseinander nimmt, kann man direkt auf das Reservoir der Markerflüssigkeit zugreifen. Diese befindet sich in einem gelben Röhrchen (unteres Bild) und ist in einer Art Schwamm enthalten, der von einer flexiblen Folie ummantelt ist. Presst man die Folie zusammen, dann tropft die Markerflüssigkeit heraus. Ich habe diese Flüssigkeit etwa im Verhältnis 1:2 mit Methanol verdünnt und diese Mischung in eine Küvette gefüllt. Sie lässt sich einfach zur Laseraktivität anregen. Das Laserlicht ist grün und hat eine ähnliche Wellenlänge wie Uranin. Da Uranin, wie schon erwähnt, ein relativ harmloser Stoff ist, ist zu vermuten, dass er bei der Herstellung der Textmarkerflüssigkeit  verwendet wird.

Ich habe versucht, auch die Tinte eines orangen Textmarkers als Laserfarbstoff zu verwenden. Dabei habe ich festgestellt, dass diese Tinte keine Lösung sondern eine Suspension ist, und sich daher nicht als Laserfarbstoff eignet. Ich gehe davon aus, dass das auch für die Tinten andersfarbiger Textmarker der Fall ist und dass sich nur die Tinte von gelben Markern als Laserfarbstoff eignet.

Laserstrahlung aus der Flüssigkeit eines gelben Textmarkers Gemessene Wellenlänge: l = 524 nm.

Verbesserung des Laser-Resonators

Die Intensität des Laserimpulses kann deutlich erhöht werden, wenn man eine Seite des Resonators verspiegelt. Dazu befestigt man (z.B. mit Tesaband) einen kleinen Oberflächenspiegel so an der Seitenwand der Küvette, dass der Spiegel ein Ende des vom fokussierten Pumplaserstrahl angeregten Bereiches abdeckt. Eine weitere Verbesserung erhält man, wenn man auf der gegenüberliegenden Seite der Küvette einen halbdurchlässigen Spiegel (Strahlteiler) anbringt. Das Resultat ist in der folgenden Abbildung zu sehen.

 

Der verbesserte Resonator: An der mit Rhodamin 6G gefüllten Küvette  ist das etwas irregulär geformte Bruchstück eines Oberflächenspiegels  befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Küvette befindet sich ein kleiner 50:50 Strahlteiler. Die Verwendung von Tesaband zum Aufbau eines optischen Resonators wirkt in ersten Moment etwas seltsam. In Wirklichkeit nutzt man nur die Präzision aus, mit der die Küvette angefertigt ist.

Improvisationsmöglichkeiten bei kleinem Budget

Auch beim Bau einfacher Farbstofflaser stößt man bald auf hohe finanzielle Hürden. Doch mit ein wenig Improvisation lassen diese sich überwinden.

a) Dass Farbstoffe relativ günstig beschafft werden können, wurde bereits erwähnt. Uranin und die Farbstoffe von Textmarkern sind auch bei einem sehr beschränkten finanziellen Rahmen erschwinglich. 

b) Speziell für Farbstofflaser hergestellte Küvetten kosten mehrere Hundert Euro. Preisgünstigere Küvetten werden gelegentlich im Internet (ebay) angeboten. Häufig sind bei diesen Küvetten nur zwei Seiten klar und die beiden anderen matt. Im Internet gibt es einen Tipp, wie man auch matte Seiten mit Ceroxid klar polieren kann. Ich habe das versucht und es hat einigermaßen geklappt. Man kann den Erfolg (und den Fortschritt) des Polierens dadurch kontrollieren, dass man die Reflexion das Strahls eines Laserpointers (oder eines anderen Lasers) an der polierten Seite mit der Reflexion vergleicht, die man von den klaren Seiten erhält. Obwohl ich es nicht geschafft habe, durch das Polieren die optische Qualität der ursprünglich klaren Seiten zu erhalten, können die so behandelten Küvetten. für die Farbstoffversuche verwendet werden. Auf den hier gezeigten Fotos hatte lediglich die Küvette mit dem runden Kunststoffstöpsel  von vorne herein drei klare Seiten. 

Finanziell noch günstiger ist die Verwendung von Einmalküvetten aus Kunststoff (sie werden in 100 Stück Packungen vertrieben). Leider haben diese Küvetten ungünstige optische Eigenschaften. Die Seitenflächen sind zwar klar, aber nicht eben genug um eine optischen Resonator zu bilden. Insbesondere ist die Kante, an der die Seitenflächen zusammenstoßen, abgeschrägt. Man kann sich vorstellen, dass die Kanten durch ein Prisma mit kleinem Querschnitt ausgefüllt sind. Trotzdem kann man Laserstrahlung beobachten, wenn die Farbstofflösung als Superstrahler wirkt. Bei dem hier verwendeten Pumplaser war das bei Couramin 47 und bei Uranin das Fall. Die erzeugte Superstrahlung wird von den abgeschrägten Kanten abgelenkt und "verschmiert". Das ist auf der folgenden Aufnahme zu sehen. Das Prinzip eines Farbstofflasers kann man auf diese Weise durchaus demonstrieren.

Superstrahlung einer Uranin-Lösung, die sich in einer Kunststoff Küvette für ein paar Cent befindet. Die Linse am rechten Bildrand spielt hier keine Rolle. Sie gehört zu einer Anordnung, mit dem die Wellenlänge der Laserstrahlung gemessen wird.

c) Eine Zylinderlinse, die den Strahl des Pumplasers auf die Küvette fokussiert, ist schwer zu erhalten und sehr teuer. Zwar gibt es diverse optische Spezialfirmen, die geeignete Zylinderlinsen herstellen und vertreiben, aber die Preise liegen im  Bereich um 100 Euro oder noch beträchtlich darüber (dazu kommen noch Mehrwertsteuer und Versandkosten). Man muss auch darauf achten, dass die Glassorte, aus der die Zylinderlinse angefertigt ist, für die Wellenlänge des Pumplasers durchlässig ist.

Ein einigermaßen funktionierender Ersatz für die teure Zylinderlinse ist ein mit Wasser gefülltes Glasröhrchen. In der folgenden Abbildung ist ein Glasröhrchen mit einem Außendurchmesser von 1,1 cm zu sehen, das zwar wie ein kleines Reagenzglas aussieht, aber einmal als Verpackung für Gewürzstangen gedient hat. (Ich habe nicht ausprobiert, ob auch ein normales Reagenzglas als Zylinderlinse verwendet werden kann.) Das unten gezeigte Glasröhrchen hat eine Brennweite von einigen mm. Im rechten Bild ist die Laseraktivität von Rhodamin 6G zu sehen. Das Verfahren funktioniert aber auch mit Uranin und Coumarin 47. Es ist sogar möglich, mit einer Kunststoffküvette zu arbeiten. Da das entstehende Laserlicht nach vorn gebrochen wird (s.o.), ist es wegen der kleinen Brennweite der Ersatzzylinderlinse nicht ganz einfach zu beobachten und sehr schwer zu fotografieren. 

Ein mit Wasser gefülltes Reagenzglas wird als Zylinderlinse zur Anregung eines Farbstofflasers verwendet.

 

Übersicht über die verwendeten Laserfarbstoffe
Farbstoff	gemessene Wellenlänge	Wellenlänge lt. Lambdachrom *)	Konzentration  in Methanol	Besonderheit
Coumarin 47	457 nm	453 nm	0,66 g/l	Sehr einfach anzuregen
Coumarin 2	463 nm	444 nm	0,4 g/l
Coumarin 307	507 nm	504 nm	1,6 g/l	einfach anzuregen
Textmarker (gelb)	524 nm	---	---	einfach anzuregen
Uranin	535 nm	538 nm	1,3 g/l	einfach anzuregen, preiswert, ungiftig
Coumarin 153	554 nm	540 nm	3,1 g/l	schwierig anzuregen
Rhodamin 6G	576 nm	581 nm	1,6 g/l	einfach anzuregen
Rhodamin B	600 nm	622 nm	2,1 g/l	einfach anzuregen, preiswert
Nilblau	683 nm	695 nm	0,45 g/l
Pyridin 1	703 nm	703 nm	0,58 g/l	schwierig anzuregen
Styryl 9	830 nm	840 nm	1,03 g/l	IR: schwierig zu beobachten

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