Laserphysik. Grundlagen und Anwendungen für Physiker, Maschinenbauer und Ingenieure. Marc Eichhorn

Transkript

1 Laserphysik

2 Marc Eichhorn Laserphysik Grundlagen und Anwendungen für Physiker, Maschinenbauer und Ingenieure Aus dem Englischen übersetzt von Frank Zocholl und Elisabeth Zscherpel

3 Dr. habil. Marc Eichhorn Deutsch-Französisches Forschungsinstitut Saint-Louis (ISL) Aus dem Englischen übersetzt von Frank Zocholl (Kapitel 2, 3, 5) und Elisabeth Zscherpel (Kapitel 1, 4, 5) ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Planung und Lektorat: Dr. Vera Spillner, Dr. Meike Barth Redaktion: Heike Pressler Einbandentwurf: deblik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

4 Vorwort Der Laser gehört zu einem der wohl faszinierendsten Gebiete der modernen Physik seit seiner ersten experimentellen Realisierung im Jahre 1960 durch T. H. Maiman. Er selbst wie auch seine Anwendungen haben große Teile der modernen Physik sowie vieler anderer Wissenschaften grundlegend beeinflusst und teilweise erst ermöglicht. Die einzigartigen quantenmechanischen Eigenschaften des Laserlichts, beispielsweise seine Kohärenz und seine Wechselwirkung mit Atomen oder Molekülen, eröffneten neue Forschungsgebiete von der Spektroskopie in Physik, Chemie und Biologie über Informationsverarbeitung, Materialforschung und allgemeiner Messtechnik bis hin zu den wohl faszinierendsten Gebieten der Physik: Der Laser erlaubt es Wissenschaftlern, extreme Zustände der Materie wie Bose-Einstein-Kondensate oder degenerierte Fermi-Gase zu erzeugen und zu studieren. Er macht wichtige Untersuchungen zur Quantenmechanik möglich, hat einen großen Einfluss auf Festkörperphysik und Elektronik durch den Bedarf immer effizienterer Lichtquellen wie Laserdioden und er ermöglicht das interessante Gebiet der nichtlinearen Optik. Der Laser leistet auch in Zukunft seinen enormen Beitrag zur Entdeckung von Gravitationswellen, zur Erzeugung extrem heißer und dichter Materiezustände, beispielsweise in der Trägheitsfusion, und er eröffnet den Weg zum Verständnis der fundamentalen Physik auf kurzen Zeitskalen, welcher erst durch Femto- und Attosekundenlaser zugänglichgewordenist. Dieses Lehrbuch entstand aus einer Vorlesung für Laserphysik in der Karlsruhe School of Optics and Photonics am Karlsruhe Institute of Technology (KIT), welche dort seit dem Jahre 2008 angeboten wird. Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Auslegung dieses Buches war es, in einer einheitlichen und insbesondere labor- und praxisnahen Notation und Beschreibung sowohl die Grundlagen des Lasers als auch eine Vielzahl aktueller und in Zukunft immer wichtiger werdender Lasertypen zu behandeln. Dabei wird eine Brücke geschlagen zwischen beispielsweise direkt spektroskopisch messbaren Größen und der gesamten theoretischen Beschreibung und Modellierung von Lasern in kontinuierlichem wie auch gepulstem Betrieb. Dieses Buch trägt somit dazu bei, die im Studium so wichtigen Grundlagen und Zusammenhänge mathematisch und didaktisch darzustellen, und es erlaubt gleichzeitig durch seinen Aufbau und seine moderne Notation auch eine direkte Anwendung des Gelernten in der späteren Praxis. Es richtet sich somit an alle, die sowohl die Grundlagen des Lasers verstehen möchten als auch moderne Laser anwenden oder gar selbst entwickeln und aufbauen wollen. Das Buch versucht dabei mit möglichst wenigen Voraussetzungen auszukommen und wendet sich an Studenten der Physik, des Maschinenbaus und der Ingenieurwissenschaften, der Chemie und Mathematik ab dem 3. bis 4. Semester, mit der Hoffnung, bei diesen ebenso viel Vergnügen und Interesse zu wecken wie bei den Teilnehmern der Vorlesung.

5 vi Dieses Lehrbuch behandelt in den ersten drei Kapiteln die Grundlagen des Lasers: die Licht-Materie-Wechselwirkung, das Laser-Verstärkungsmedium und den Laserresonator. Im vierten Kapitel werden die Pulsezeugung und die dazu notwendigen Technologien vorgestellt und vertieft. Das fünfte Kapitel gibt abschließend einen Überblick über verschiedene aktuell und in Zukunft immer wichtiger werdende Lasertypen und dient gleichermaßen als Beispielsammlung, um das im Theorieteil Gelernte anzuwenden und auszubauen. Besonderer Dank geht an die Übersetzer Frau Elisabeth Zscherpel und Herrn Frank Zocholl, welche das ursprünglich englische Manuskript ins Deutsche übersetzt haben, sowie an den Springer-Verlag, hier insbesondere an Frau Dr. Meike Barth und Frau Dr. Vera Spillner für die stets hervorragende und freundliche Zsammenarbeit. Marc Eichhorn

6 Inhaltsverzeichnis 1 Quantenmechanische Grundlagen von Lasern Einstein-Ratengleichungen und Plancksches Strahlungsgesetz ÜbergangswahrscheinlichkeitenundMatrixelemente DipolstrahlungundspontaneEmission StimulierteEmissionundAbsorption ModenstrukturundspontaneEmission ModendichtedesVakuumsundvonoptischenMedien VakuumfluktuationenundspontaneEmission WirkungsquerschnitteundLinienverbreiterung WirkungsquerschnittevonAbsorptionundEmission Natürliche Linienbreite und Verbreiterung von Spektrallinien Prinzip der Laser Besetzungsinversion und Rückkopplung DasZwei-Niveau-System Drei-undVier-Niveau-Systeme DieRückkopplungsbedingung SpektroskopischeLaser-Ratengleichungen Besetzung der Niveaus und stationärer Betrieb Relaxationsoszillationen PotentialmodelldesLasers Optische Resonatoren Lineare Resonatoren und Stabilitätskriterien Grundlagen der Matrizenoptik StabileundinstabileResonatoren ModenstrukturundIntensitätsverteilung Die Grundmode: der Gauß-Strahl TransversaleModenhöhererOrdnungundStrahlqualität LongitudinaleModenundLochbrennen LinienbreitederLaseremission Erzeugung von kurzen und ultrakurzen Pulsen Grundlagen der Güteschaltung AktiveGüteschaltung ExperimentelleUmsetzung PassiveGüteschaltung Skalierungsgesetze von wiederholtem Güteschalten Grundlagen der Modenkopplung und ultrakurzer Pulse AktiveModenkopplung PassiveModenkopplung Pulskompression von ultrakurzen Pulsen

7 viii Inhaltsverzeichnis 5 Beispiele für Laser und deren Anwendungen Gaslaser:derHelium-Neon-Laser Festkörperlaser Der Nd 3+ -Laser Der Tm 3+ -Laser Der Ti 3+ :Al 2 O 3 -Laser SpezielleRealisierungenvonLasern ThermischeLinseundthermischeSpannung DerFaserlaser DerScheibenlaser Literaturverzeichnis Index