Zwei-Niveau-System. Laser: light amplification by stimulated emission of radiation. W ind.absorption = n 1 ρ B. Laserbox. W ind.

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1 Laser: light amplification by stimulated emission of radiation W ind.absorption = n 1 ρ B Laserbox 8πhν = B c A W ind.emission = n ρ B Besetzungs-Inversion notwendig Zwei-Niveau-System 1,0 Besetzung des unteren Zustandes Trick: Drei-Niveau-System n ges n 0,5 schneller Übergang 0, T/K Besetzung des oberen Zustandes Pumpen langsam, Laser-Übergang n 1 Besetzungsinversion im Zwei-Niveau-System nicht erreichbar; induzierte Absorption immer dominant

2 Noch besser: Das Vier-Niveau-System schneller Übergang 1 S He-Ne-Laser.9 µm Pumpen langsam, Laser-Übergang S p 5 s µm p 5 5s 1 p 5 p nm p 5 p 1 p 5 s 1 zu Beginn leer, daher ist es einfach, hier die Besetzungsinversion zu erhalten. 1s He Rekombinationsstöße Ne p 6 Funktionsweise: Resonator dünnes Gasgemisch He/Ne 10:1 p = 10mbar He-Entladung mit V = 1- kv Lebensdauer des Ne s Zustandes durch radiative trapping sehr lang Stöße der Ne-Atome mit der Wand entleeren das zweit-unterste Ne-Niveau totalrefl. Spiegel λ L fast totalrefl. Spiegel Auswählen der gewünschten Laserfrequenz (6nm) durch Resonator Stehende Welle nur bei λ N = L

3 sehr geringe Divergenz, da nur Photonen parallel zur Resonatorachse zur Verstärkung beitragen räumliche Kohärenz: Photonen sind über den Querschnitt des Resonators in Phase zeitliche Kohärenz: Photonen sind auch nach einer Wegstrecke noch in Phase T 1 Feststoff-Laser Rubin-Laser Cr + in Al O strahlungslos (Hitze-Entwicklung) Kohärenzlänge: l Koh. = λ λ T E streng monochromatische Strahlung: Kohärenzlänge unendlich λ = 69. nm λ = 69. nm A Tanabe-Sugano-Diagramm für ein d -Ion: Neodym-YAG-Laser Nd + in Y Al 5 O 1 Überprüfung: F 9/ 7/ 5/ F /( I 1/ λ = 106 nm F als Grundterm des freien Ions?? / I 15/ 1/ 11/ freies Nd + -Ion 9/ Nd + -Ion im Kristallfeld

4 Frequenzverdopplung: 106nm 5 nm SHG: second harmonic generation µ = αe + βe + γe + symmetrische Valenzschwingung Schwingungen des CO antisymmetrische Valenzschwingung ν 1 ν ν Deformationsschwingung E = E 0 sinωt sinωt Wir erinnern uns an 1 sinα sin β = ( cos( α β ) cos( α + β )) und erhalten E = E0 (1 cos ωt ) da ß sehr klein, wird eine intensive Eingangsstrahlung benötigt, um die doppelte Frequenz in brauchbarer Intensität zu erhalten 185 cm -1 9 cm cm -1 CO -Laser CO -Laser: v = 1 N CO ν,v = 1 50 cm -1 1 cm µm elektrische Entladung regt N in angeregte Schwingungszustände an Energie wird durch Stoß auf die antisym. Schwingung des CO übertragen Laserübergang ν (v=1) ν 1 (v=1) 185 cm -1 ν,v = ν 1,v = cm-1 ν,v = 1 v = 0

5 besonders trickreich: Excimer- oder Exciplex-Laser: und sonst?? Rhodamin 6G Xe, Cl, Ne: elektrische Entladung produziert Cl *, Cl* + Xe XeCl* (Lebensdauer 10ns) π π S 1 -Niveau-Laser?? S 0 Farbstofflaser: großer Vorteil: durchstimmbare Frequenzen Rhodamin 6G 569 nm 609 nm Es wird eine sehr verdünnte Lösung des Farbstoffs (beispielsweise in Ethanol) verwendet. Die Schwingungsniveaus werden durch WW mit den Solvensmolekülen verschmiert. Pumpen des Systems mit Startlaser oder Hg-Lampe Halbleiter-Laser Erinnerung: Leitungsband reiner Farbstoff S 1 Farbstofflösung S 1 Donorband V Akzeptorband III Absorption Fluoreszenz Selektion einer best. Frequenz durch Gitter, Resonator, n-halbleiter Valenzband p-halbleiter S 0 S 0

6 Anwendungen von Lasern in der Chemie Isotopentrennung zustandsselektive Reaktionsdynamik Ramanspektroskopie Untersuchung von Reaktionen und R-geschwindigkeiten durch Puls-Laser