Lasertechnik MLL. Dr. Ralf Brinkmann. Institut für Biomedizinische Optik (BMO) Universität zu Lübeck und Medizinisches Laserzentrum Lübeck GmbH (MLL)
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- Erika Frei
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1 Lasertechnik Dr. Ralf Brinkmann Entstehung von Laserstrahlung Charakterisierung von Laserstrahlung Lasertypen und Lasermedien MLL Institut für Biomedizinische Optik (BMO) Universität zu Lübeck und Medizinisches Laserzentrum Lübeck GmbH (MLL) Vorlesung Lasermedizin, SS
2 Was ist Licht?
3 Elektromagnetische Strahlung Elektromagnetisches Spektrum
4 Optisches Spektrum Elektromagnetisches Spektrum
5 -Wechsel zu LASER Lichtentstehung LASER
6 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER Lichtverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung
7 Der Weg zum Laser Historischer Überblick The first laser build 1916 Postulation of stimulated emission* Einstein 1928 Experimental proof of Ladenburg stimulated emission Kopfermann 1950 Experimental proof of inversion Purcel, Pound 1951/1955 Suggestion to use stimulated Fabrikant, Weber, emission for amplification Basov,Prochorov 1953 NH 3 -Maser (12,7 mm wavelength) Townes 1958 Suggestion to use stimulated Schawlow, Townes emission for amplification in the optical reagion 1959 Suggestion to build a gas laser Javan 1960 First laser build (Ruby laser 694,3 nm) Maiman 1961 First HeNe-laser Javan,Benett, Herriott 1962 First semiconductor laser Nathan,Duncke, Burns, Dill, Lasher 1964 Argon-Ionen-Laser William Bridges * Aufsatz zur Quantentheorie der Strahlung - Erstveröffentlichung in Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft Zürich. Nr. 18, Physik. Zeitschr. Nr. 18, 1917, S. 121
8 Bohr sches Atommodell
9 Absorption
10 Absorption
11 Absorption Wahrscheinlichkeit der Absorption
12 spontane Emission
13 spontane Emission
14 Induzierte Emission Das induziert emittierte Photon ist in Abstrahlrichtung, Wellenlänge, Polarisation und Phase identisch zum induzierenden Photon!
15 Induzierte Emission Induzierte Emission Absorption =
16 Induzierte Emission Nur wahrscheinlich wenn: 1. Hohe Lebensdauer des oberen Zustands 2. Starkes Photonenfeld
17 Lichtverstärkung durch induzierte Emission
18 LASER - Resonator
19 LASER - Anregung durch Licht
20 LASER Anregung durch Licht Beispiel: gepulster Farbstofflaser
21 Termschema Nd:YAG
22 LASER - Anregung durch Stöße
23 Termschema HeNe
24 Besetzungsinversion Voraussetzung für Verstärkung durch induzierte Emission, d.h. Laseremission Nur wahrscheinlich wenn: 1. Hohe Lebensdauer des oberen Zustands 2. Starkes Photonenfeld 3. Geringe Lebensdauer des unteren Zustands
25 Besetzungsinversion Keine Inversion möglich! Bei Gleichbesetzung N 2 =N 1 ist Medium transparent. Übergangswahrscheinlichkeiten für Absorption und induzierte Emission sind gleich!
26 Ytterbium Termschema
27 Thermaschema Neodym (in YAG)
28 Gauß scher Strahl Laserstrahlung
29 Resonatoren
30 Resonatoren
31 Resonatoren
32 Resonatoren Bedingung für Vielfach-Umlauf Gesucht: Stabile elektromagnetische Feldverteilung, die die Maxwell-Gleichungen und die Randbedingungen (Nullstelle auf Spiegel) erfüllt.
33 Gauß scher Strahl
34 Laser-Strahlprofil - Strahlquerschnitt Gauß scher Strahl Bestrahlungsstärke I als Funktion von r, z
35 Laser-Strahlprofil - Strahlquerschnitt Gauß scher Strahl
36 Fundamentalmode (TEM 00 ) Gauß scher Strahl (confocal resonator L=R) w 0 phase front z 2 w 0 stable cavity, (e.g. confocal resonator) R: Krümmungsradius der Wellenfront
37 Gauß scher Strahl
38 Fokussierung Gauß scher Strahlen Geometrische Optik f Wellenoptik
39 Fokussierung Gauß scher Strahlen 2w o W l 2w f f beam parameter product: w0 const. ideal Gauss mode: w 0 focus beam waist w f: lens beam diameter w l approximation for f >> w l f w l f w f f w l 2 F depth of focus: (beam waist = 2 w f area = 2 minimal spot size) F-number: (focal length / beam diameter on lens) f F 2 w l l f 2 2 w f
40 Lasermoden
41 Resonatormoden - longitudinal Mögliche Wellenlängen in einem Resonator: Stehwellenresonator: q* /2=L Res q=1,2,3... c q 2 L Longitudinaler Modenabstand res c 2L 2 0 res 2L Ringresonator: keine Beschränkung
42 Lasermoden - longitudinal reflectivity fluorescence output optical resonator active material 2 0 res 2L threshold for laser activity laser power laser output laser < lfluorescence Wellenlänge
43 Laser-Strahlprofil - Strahlquerschnitt Gauß scher Strahl TEM 11
44 Resonatormoden - transversal linearly polarized resonator mode configurations for rectangular mirrors TEM 00 TEM 10 TEM 20 TEM 01 TEM 11 TEM 21 TEM 11 TEM 02 TEM 12 TEM 22
45 Eigenschaften von Laserstrahlung Was ist wesentlich für die medizinische Anwendungen?
46 Bestrahlungsstärke Bestrahlungsstärke (Intensität) Energie Zeit * Fläche J m 2 * s = W m 2
47 Bestrahlungsstärke
48 Wirkung von Laserstrahlung auf Gewebe Intensity W/cm² J/cm² Diagnostics m-photon-micr. OCT OA-spectr Disruption capsulotomy lithotripsy Ablation PRK TMLR / ELR Coagulation RPE / retina LITT Photochemistry PDT Pulse duration / s
49 Pulsdauer: kontinuierlich 1. Kontinuierliche Emission
50 2. Gepulste Emission a. freilaufend Pulsdauer: Blitzdauer (µs-ms) Pulsdauer: freilaufend Blitzlicht Endspiegel Laserstab Auskoppelspiegel Laserpuls Blitzlicht Laserpuls
51 2. Gepulste Emission Pulsdauer: Güteschaltung b. gütegeschaltet (Q-switched) Pulsdauer: ns Blitzlicht Shutter Endspiegel Laserstab Auskoppelspiegel Laserpuls Blitzlicht Laserpuls
52 2. Gepulste Emission Pulsdauer: Güteschaltung b. gütegeschaltet (Q-switched) mittels Pockeslzelle Pulsdauer: ns dspiegel Blitzlicht - HV + Laserstab Auskoppelspiegel Pockelszelle Resonator geschlossen
53 2. Gepulste Emission Pulsdauer: Güteschaltung b. gütegeschaltet (Q-switched) mittels Pockeslzelle Pulsdauer: ns Blitzlicht Laserpuls Endspiegel Blitzlicht - HV + HV an HV aus Laserstab Resonator geschlossen Endspiegel Blitzlicht Laserstab Laserpuls Pockelszelle Auskoppelspiegel Pockelszelle Auskoppelspiegel Resonator offen
54 2. Gepulste Emission Pulsdauer: Modenkopplung c. modengekoppelt Pulsdauer: 5 fs ps
55 amplitude Modenkopplung total Prinzip der Modenkopplung q,q+1
56 amplitude Modenkopplung total Prinzip der Modenkopplung long. modes dj =2p D l I,E dj =2p D l Random phase relation q,q+1 long. modes long 3 modes dj =2p D l dj =2p D l dj =2p D ll I,E I,E dj =2p D l dj =2p dj =2p D ll Fixed phase relation
57 Modenkopplung Prinzip der Modenkopplung amplitude t pulses p t pulses = 2L / c equals round trip time; pulse repetition frequency: time prf = 1 / t pulses = c / 2L width of individual pulses: p 1 2n 1 1 q, q 1 (n: number of modes involved) p 1 total
58 Modenkopplung Realisierung der Modenkopplung active mode coupling with modulator modulated gain modulation period equal to round trip time passive mode coupling with saturable absorber dye cell directly contacted to 100% mirror
59 Pulsdauer (Überblick) Time Exponent S =c t Distance Laser 1 s m moon earth cw - gechoppt (argon, diode, etc.) 1 ms km Lübeck Göttingen pulsed (ruby, Nd:YAG) 1 µs m stadium Q-regulated laser (Alexandrit, SHG-Nd:YLF) 1 ns cm foot Q-switched laser (Nd:YAG, ruby) 1 ps ,3 mm thick hair mode-locked laser (Nd:YLF) 1 fs ,3 µm λ/2 of visible light mode-locked vibronic laser with dispersion control and non-linear broadening of the spectrum
60 Eigenschaften von Laserstrahlung
61 Eigenschaften von Laserstrahlung
62 Eigenschaften von Laserstrahlung starke Fokussierung sehr hohe Intensität
63 Präzise Materialbearbeitung mit Lasern
64 Lichtwellenleitung
65 Laserlithotripsie
66 Interferenz von kohärenten Wellen I P Probenarm Strahlteiler I R Lichtquelle Referenzarm I M Intensitätsmodulation Detektor 1 I(x), A(x) x [µm]
67 Optische Kohärenztomographie (OCT) Beispiel: Fingerspitze OCT-Aufnahme Histologie 1 mm x 1,5 mm
68 Lasermedien
69 Wellenlängen bedeutender Laser Diodenlaser ( nm) optisches Fenster Excimere (193, 308 nm)
70 Lasermedien Festköperlaser Stablaser (Nd:YAG, Nd:YLF, Ti:Saphir, Alexandrit...) Scheibenlaser (Yb:Glas) Faserlaser (Yb:YAG) Gaslaser (HeNe, Argon-Ionen, CO 2, Excimer) Farbstofflaser (Rhodamine, Coumarine) Halbleiterlaser / Laserdioden (AlGaAs...) Einzelemitter Streifen Barren Stacks
71 Gaslaser HeNe-Laser
72 Gaslaser CO 2 -Laser
73 Halbleiterlaser
74 Halbleiterlaser
75 Halbleiterlaser
76 Halbleiterlaser Advantages Small Inexpensive High efficiency (30-50%) High power (kw) Can be modulated up to 10 GHz Long lifetime Disadvantages Asymmetric beam profile (e. g. θ x =10, θ y =30 ) High divergence Low pulse energies
77 Halbleiterlaser
78 Festkörperlaser
79 Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) Wichtigster Wirtskristall für Laser-Ionen
80 Laserkristalle
81 Festkörperlaser Longitudinale Pumpanregung
82 Festkörperlaser Transversale Pumpanregung
83 Frequenzkonversion Lineare Auslenkung r E E Polarisation beschreibt Wechselwirkung eines elektrischen Feldes mit Materie Optisches Medium
84 Frequenzkonversion nichtlineare Auslenkung r E E Polarisation beschreibt Wechselwirkung eines elektrischen Felds auf Materie
85 Frequenzverdopplung
86 Vielen Dank! Prof. Raimund Hibst, Universität Ulm Prof. Günter Huber, Universität Hamburg Medizinisches Laserzentrum Lübeck MLL
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