Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2000
Programm und Abstracts der Sitzung Q 38

Strahlcharakterisierung mit dem Shack-Hartmann-Verfahren

•Bert Neubert¹, Günter Huber¹ und Wolf Dieter Scharfe^2
1Institut für Laser-Physik, Universität Hamburg
²Rofin-Sinar Laser GmbH, Hamburg

Für Gebrauch und Anwendung von Lasern ist die Strahlqualität von entscheidender Bedeutung. Die gebräuchlichsten Parameter zur Strahlcharakterisierung sind M², Taillendurchmesser und Taillenlagen.

Das Shack-Hartmann-Verfahren mißt gleichzeitig das Phasenprofil sowie die Intensitätsverteilung des Strahls an einer Stelle. Die gewünschten Qualitäts-Parameter lassen sich aus einer einzigen Messung berechnen. Im Gegensatz zu vielen anderen Verfahren wird also nicht die Propagation des Beamdurchmessers vermessen, sondern mit Hilfe der Phase berechnet. Die Kenntnis von Intensität und Phase erlaubt es zudem, das elektrische Feld selber abzuschätzen.

Es werden die Ergebnisse von einigen Messungen an Festkörperlasern vorgestellt und die Vor- und Nachteile des Verfahrens diskutiert.

Ti:Saphir Laser für weißlichtinterferometrische Messungen

•Dieter Lorenz, Ingo Brandenburg, Kay Mittler und Ralf Menzel
Photonik, Institut für Physik, Universität Potsdam, Am Neuen Palais 10, 14469 Potsdam

Es werden unterschiedliche Ti:Saphir Lasersysteme mit Ausgangsleistungen von über 100 mW bei einer Mittenwellenlänge von 800 nm vorgestellt, die aufgrund ihrer großen spektralen Bandbreite und ihrer beugungsbegrenzten Strahlqualität für weißlichtinterferometrische Messungen verwendet werden können. Die Kohärenzlängen liegen jeweils im Bereich von unter 10 mm. Diese Systeme werden auf die jeweilige Anwendung optimiert, so dass die Anzahl an Fehlmessungen minimiert werden kann. Die spektrale Bandbreite kann mit Hilfe linearer und nichtlinearer optischer Effekte gezielt beeinflusst werden.
Durch Justage des Laserstrahls innerhalb des Meßfeldes können nahezu beliebig große Objekte ohne Klaffungen mit einer Objektiveinstellung vermessen werden.
Gefördert durch BMBF und VDI.

Resonanzbreiten und Krümmungskorrekturen zur Fresnel-Formel in dielektrischen Zylindern

•Martina Hentschel und Jens Noeckel
MPI f. Physik komplexer Systeme, Dresden

Für gekrümmte dielektrische Oberflächen, wie sie häufig in Mikroresonatoren vorkommen, müssen bei Verwendung der Strahlenoptik Wellenkorrekturen zur klassischen Fresnel-Formel berücksichtigt werden. Wir zeigen anhand von dielektrischen Kreiszylindern, wie krümmungs-korrigierte Fresnel-Formeln dazu dienen können, die Abhängigkeit numerisch errechneter Resonanzbreiten von Parametern wie Frequenz, Drehimpuls, Polarisation und Brechungsindex n zu erklären. Für große n werden uniforme analytische Verallgemeinerungen der Fresnel-Formeln aus den Wellengleichungen hergeleitet, während im Grenzfall kleiner n die klassischen Fresnel-Formeln als Ausgangspunkt dienen, zu welchem dann zwei wesentliche korrekturen hinzugefügt werden müssen: Tunneln sowie die Goos-Hänchen-Verschiebung. Aus dieser halbklassischen Betrachtungsweise folgen universelle Aussagen: bei scharfen Grenzflächen und Polarisation senkrecht zur Einfallsebene gibt es eine endliche Obergrenze für die möglichen Resonanzbreiten. Bei Polarisation in der Einfallsebene sind beliebig breite Resonanzen beobachtbar, die semiklassisch zum Brewster-Winkel korrespondieren.

Ein Wellenlängenmessgerät und Fourierspektrometer hoher Genauigkeit

•Uwe Sterr und Hans-Peter Weßelhöft
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig

Zur routinemäßigen Kalibrierung von Laserquellen im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich wurde ein interferometrisches Wellenlängenmessgerät aufgebaut, das neben der Wellenlänge das Modenspektrum des zu kalibrierenden Lasers ermittelt.

Der optische Aufbau besteht aus einem Planspiegel-Michelson-Interferometer, dessen Endspiegel um 1,7 m verfahren werden kann. Um störende Einflüsse durch die Dispersion und Turbulenzen der Luft zu vermeiden, ist das gesamte Gerät im Vakuum aufgebaut. Die Strahlung des zu messenden Lasers und eines 633 nm Referenz-HeNe-Lasers können wahlweise über eine Glasfaser oder über ein Raumfilter in das Gerät eingekoppelt werden, um eine gute Parallelität und einen guten räumlichen Überlapp zu gewährleisten. Die Parallelität der Verschiebung wird aus dem räumlichen Interferenzbild des Referenzlasers elektronisch geregelt. Durch Verwendung von Reflexionsoptiken wird ein breitbandiger Messbereich von 400 nm bis 1600 nm erreicht.

Während der Spiegelbewegung werden die Interferenzsignale des zu messenden Lasers digitalisiert, digital gefiltert und on-line in ihrer Datenmenge reduziert, so dass im Anschluss das Spektrum im interessierenden Wellenlängenbereich sehr schnell bestimmt werden kann. Für die Bestimmung der Laser-Wellenlänge aus dem Spektrum und aus den Interferenzdaten werden verschiedene Methoden vorgestellt.

Parallel-Processing in der Zwei-Photonen-Mikroskopie: 3D-Visualisierung und zeitaufgelöste Spektroskopie an Zellen

•Matthias Fricke, Tim Nielsen und Peter Andresen
Universität Bielefeld - Fakultät für Physik, Universitätsstr. 25, D-33501 Bielefeld

Die Zwei-Photonen-Laser-Scanning-Mikroskopie ist ein schonendes Verfahren, um biologische Zellpräparate dreidimensional zu visualisieren. Der Strahl eines Ti:Sa-Lasers (800 nm, 40 fs, 76 MHz) wird in die Probe fokussiert und erzeugt durch ein Rasterverfahren an allen Positionen im Präparat ein Fluoreszenzsignal, das durch Zwei-Photonen-Anregung entsteht. Die Fluoreszenz wird von einer schnellen CCD-Kamera detektiert und im Computer verarbeitet. Die Scangeschwindigkeit wird durch Parallel-Processing mit 64 gleichen Strahlen erhöht. Neben der Fluoreszenzintensität können auch aus der Fluoreszenzlebensdauer noch weitere Informationen gewonnen werden. Diese Lebensdauer wird mit einem schnellen Bildverstärker (200 ps Gate, 76 MHz synchron zum Laser) gemessen. Bisher wurden Luzerne-Zellen untersucht, die mit zwei verschiedenen Farbstoffen (FDA, SyBR Green I) markiert wurden. Desweiteren wurden Zellen mit farbstoffmarkierten Oligonukleotiden untersucht, an denen die Lebensdauermessungen durchgeführt wurden.

Zustandsselektiver Nachweis einzelner Rubidium Atome

•M. Hennrich, T. Legero, T. Bondo, A. Kuhn und G. Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 85748 Garching

Wir berichten über den Nachweis einzelner langsamer Rubidium Atome mittels laserinduzierter Fluoreszenz. Die Atome werden in einer magnetooptischen Falle auf 10 mK abgekühlt, im Schwerefeld beschleunigt und bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s detektiert. Der Fluoreszenzdetektor besteht aus einem nahresonanten Laserstrahl, der einen geschlossenen atomaren Übergang anregt und hocheffizienten Kollektorspiegeln, die fast den gesamten Raumwinkel abdecken und die Fluoreszenzphotonen auf einen Photomultiplier lenken. Beim Durchflug eines einzelnen Atoms durch den Nachweisstrahl werden im Mittel etwa 6 Photonen registriert. Das reicht aus, um einzelne Atome nachzuweisen. Mit Hilfe der Autokorrelation des Datenstroms läßt sich der Detektor gut charakterisieren. Dabei zeigt sich, daß einzelne Atome am besten diskriminiert werden können, wenn ein rechteckiges Strahlprofil verwendet wird.

Phasensingularitäten in der Umgebung dreidimensionaler sub-mm-Strukturen

•Manfred Eberler, Susanne Quabis, Ralf Dorn, Oliver Glöckl und Gerd Leuchs
Physikalisches Institut, Lehrstuhl für Optik, Universität Erlangen-Nürnberg, Staudtstr. 7/B2, 91058 Erlangen

Die Phasenverteilung des von einer sub-mm Struktur zurückgestreuten Feldes wird mit einem hochauflösenden Linnik-Interferenzmikroskop detektiert. In der Phasenverteilung können für die Struktur charakteristische Punkte, sog. Phasensingularitäten beobachtet werden. Dieses sind die Punkte in der Umgebung der Struktur, an denen das elektrische Feld verschwindet und die Phase unbestimmt ist. Ihre Position kann mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern bestimmt werden. Obwohl aus der Position der Singularitäten, die auf 3-dim geschlossenen Kurven liegen, noch kein direkter Rückschluß auf die Struktur möglich ist, können mit Hilfe von Vorab-Informationen und durch Vergleich mit rigorosen Berechnungen einige Objektparameter mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Das Ziel ist es, die Menge der notwendigen a priori Information durch Ausnutzen weiterer Merkmale der Phasenverteilung, wie z.B. dem Gradienten der Phase, zu reduzieren. Desweiteren wird die Position der Singularitäten von der Polarisation des beleuchtenden Feldes beeinflusst . Neben der Beleuchtung in s- und p-Polarisation wird erstmals ein Verfahren zur Beleuchtung mit einer longitudinalen, also senkrecht zur Objektebene liegenden Polarisationsrichtung vorgestellt, die eine weitere Reduktion der Freiheitsgrade des Objektes, und damit eine Beobachtung unterhalb der konventionellen Beugungsgrenze, ermöglicht.

3D-Bildgebung mittels 2-Farben-Interferometrie

•J. Trautner¹, K. Walcher¹, Gerd Leuchs¹, B. Bodermann² und H.R. Telle^2
1Lehrstuhl für Optik, Physikalisches Institut, Universität Erlangen-Nürnberg
²Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig

Mit einem 2-Farben-Interferometer läßt sich der Eindeutigkeitsbereich einer Abstandsmessung auf eine halbe virtuelle Wellenlänge vergrößern. Sie wird bestimmt durch die Wellenlänge, die der Differenz der optischen Frequenzen entspricht, und kann mit abstimmbaren Lasern einfach an die Meßaufgabe angepaßt werden. Kombiniert man das Interferometer mit einer Strahlablenkeinheit, welche den Meßstrahl schrittweise über eine Objektoberfläche führt, so kann die räumliche Gestalt des Objektes erfaßt werden.

Wir demonstrieren den Betrieb dieses Meßsystems an Objekten mit rauher Oberfläche. Die Ausdehnung der Objekte beträgt wenige Millimeter bei einer Meßentfernung im Meter-Bereich. Als Lichtquelle werden zwei Gitter-stabilisierte Laserdioden verwendet. Die Signalgewinnung erfolgt nach dem Heterodynprinzip. Signalausfälle, welche sich infolge destruktiver Speckle-Interferenz ergeben können, werden mit Hilfe eines Mehrkanaldetektors wirksam unterdrückt.

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Zuletzt geändert am 15.01.2001

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