Moderne Themen der Physik. Photonik. Dr. Axel Heuer. Exp. Quantenphysik, Universität Potsdam, Germany

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1 Moderne Themen der Physik Photonik Dr. Axel Heuer Exp. Quantenphysik, Universität Potsdam, Germany

2 Übersicht 1. Historisches und Grundlagen 2. Hochleistungslaser 3. Diodenlaser 4. Einzelne Photonen 2

3 LASER Light Amplification by Stimulated Emission Radiation Diodenlaser Gaslaser Festkörperlaser N I F Größe: ~ 100 µm Lichtleistung: mw - 2 W Größe: ~ 30 cm - 2 m Lichtleistung: mw - KW Größe: ~ 3 cm - 2 m Lichtleistung: mw - KW National Ignition Facility ( Laser zur Kernfusion) Größe: ~ 100 m Lichtenergie: MJ 3

4 Geschichte des Lasers 1916 Albert Einstein Stimulierte Emission vorhergesagt 1928 Rudolf Ladenburg Stimulierte Emision im Labor nachgewiesen 1954 Charles Townes MASER Microwave Amplification... 4

5 Maser (Microwave Amplification 5

6 Geschichte des Lasers 1958 Arthur Shawlow Veröffentlichung zur Theorie des Lasers 1960 Ted Maiman Erster Laser Festkörper - Rubinlaser 6

7 Der erste Laser (Rubin-Laser) T.H. Maiman mit dem ersten Laser (1960) 7

8 Der erste Laser (Rubin-Laser) 8

9 Funktionsweise Laser 9

10 Funktionsweise Laser 1. aktives Medium (Besetzungsinversion) 2. Pumpe 3. Resonator 10

11 Hochleistungslaser Scheibenlaser Faserlaser Diodenlaser 11

12 Was sind Hochleistungslaser? roter Bereich interessant für die Metallbearbeitung 12

13 Exkurs Strahlqualität Caustic of Gaussian Laser Beam 22w L 2x2w L 2w 0,G 2W L 0,G L M 2 NA d fibre F f D Z R 0, G Z RL NA sin n 2 1 n

14 Materialbearbeitung 14

15 Effizienz von Festkörperlaser

16 Thermische Effekte Thermische Linse Thermische Doppelbrechung Thermischer Stress, Bruch 16

17 Vermeidung thermischer Effekte 17

18 Faserlaser (Materialien) Nd 3+ Ho 3+ Pr 3+ /Er 3+ /Ho 3+ /Tm 3+ Yb 3+ Pr 3+ Er 3+ Tm 3+ Tm 3+ Er 3+ Ho 3+ Er [nm] first demonstration of a fiber laser: in the early sixties! E. Snitzer, Neodymium glass laser, Proc. of the Third International conference on Solid Lasers, Paris, page 999 (1963). C.J. Koester and E.Snitzer, Amplification in a fiber laser, Appl. Opt. 3, 10, 1182 (1964). 18

19 Faserlaser (Pumpanordnung) End-on-Pumping by high power diode laser Stack Pumping by several small Stacks Pumping by many individual Single Mode Emitters 19

20 Faserlaser (Ausgangsleistung) 20

21 Faserlaser (Starwars) 100 kw System (Excalibur) DARPA 21

22 Scheibenlaser (Prinzip) Sehr dünne (ca. 300µm) Scheibe laterale Wärmeabfuhr 22

23 Scheibenlaser (Laseraufbau) 23

24 Scheibenlaser (Pumpkonzept) Aufgrund der dünnen Scheibe viele Pumpdurchgänge nötig 24

25 Scheibenlaser - Ausgangslaser 25

26 Diodenlaser Diodenlaserstacks: 1 2 kw aus einer Streichholzschachtel 26

27 Diodenlaser - Aufbau 27

28 Diodenlaser - Typen Quantenkonfinement erhöht die Ladungsträgerdichte 28

29 Diodenlaser - Schwellstrom 29

30 Diodenlaser - Herstellung Molekularstrahlepitaxie (MBE) 30

31 Diodenlaser - Herstellung Molekularstrahlepitaxie (MBE) 31

32 Diodenlaser - Herstellung 32

33 Diodenlaser - Rippenwellenleiter Max. Ausgangsleistung: 1-2 W 33

34 Diodenlaser Laserbarren Emitterbreite : 1 cm Ausgangsleistung: 100 W 34

35 Diodenlaser Laser stacks Stapel aus mehreren Laserbarren Ausgangsleistung: 0.5 kw Problem schlechte Strahlqualität 35

36 Diodenlaser inkohärente Kopplung Überlagerung von Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlänge 36

37 Diodenlaser kohärente Kopplung 37

38 2. Thema: Quanten-Verschränkung und Quanten-Imaging 38

39 Verrückte Quantenwelt??? 39

40 Frequenzverdopplung In einem nichtlinearen Kristall kann Licht der doppelten Frequenz (d.h. der halben Wellenlänge) erzeugt werden 1064 nm 1064 nm Kristall 2 FUN SHG 532 nm Das bedeutet aus zwei Photonen niedriger Energie entsteht ein Photon höherer Energie 40

41 Frequenzverdopplung Atome im Kristallgitter sind Dipole aus Hülle und Kern Hülle wird gegen Kern verschoben durch externes Feld Strahlt man Licht ein, schwingt dieser Dipol 41

42 Verschränkte Photonen Der Prozess im nichtlinearen Kristall funktioniert auch umgekehrt ein Photon mit hoher Energie kann in zwei Photonen niedriger Energie zerfallen 532 nm Kristall 1064 nm 1064 nm Diese Photonen sind unter umständen verschränkt 42

43 Verschränkte Photonen Es ist möglich, Photonenpaare zu Erzeugen, die in einer Eigenschaft verschränkt sind. Das bedeutet das Zwillingsphoton besitzt immer genau einen komplementären Zustand z.b. die Polarisation 532 nm Kristall 1064 nm Vert nm Hor. Ein Photon ist z.b. vertikal polarisiert, das andere horizontal 43

44 Parametric Down Conversion Phasenanpassung Typ I : k p, e = k s, o + k i, o Signal und Idler Photonen haben die gleiche Polarisation p, k p s, k s i, k i Energieerhaltung: p = s + i Impulserhaltung: k p = k s + k i 44

45 Parametric Down Conversion Phasenanpassung Typ II : k p, e = k s, o + k i, e Signal und Idler Photonen haben orthogonale Polarisation In den Überschnittpunkten der Kegel sind die Photonenpaare in der Polarisation verschränkt 45

46 Verschränkte Photonen Trennt man beide Photonen und wählt den Aufbau so, dass sie nicht unterscheidbar sind (die Photonen erscheinen unpolarisiert) kann man im Prinzip Quantenteleportation beobachten 1064 nm? 1064 nm? In dem Moment in dem ich an Photon 1 die Polarisation bestimme, geht Photon 2 in den komplementären Zustand über EGAL wie weit die beiden Photonen voneinander entfernt sind 46

47 Hong-Ou-Mandel Interferometer 47

48 Franson Interferometer 48

49 Ghost Imaging (scanning detector) 49

50 Ghost Imaging (camera) 50

51 Ghost Imaging (camera) 51

52 Induzierte Kohärenz Nur ein Photonenpaar gleichzeitig im Interferometer Keine stimulierten Prozesse, geringe Photonenrate Ununterscheidbare Idler Photonen durch Strahlüberlagerung *X.Y. Zhou, L.J. Wang, and L. Mandel, Phys. Rev. Lett. 67, 318 (1991) 52

53 Imaging with undetected photons 53

54 Photonik Mögliche Themen: Scheiben- und Faserlaser (neue Hochleistungsfestkörperlaser) Kohärente und inkohärente Kopplung von Diodenlaser Attosekunden-Laserpulse (optional) Zweiphotoneninterferenz (spooky action at a distance) Ghost Imaging (Imaging with undetected photons) 54