Gaslaser. Martin Heusinger. 14. Mai Proseminar zum Fortgeschrittenenpraktikum FSU Jena

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1 Gaslaser Martin Heusinger Proseminar zum Fortgeschrittenenpraktikum FSU Jena 14. Mai 2009 M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

2 1 Einleitung 2 He-Ne-Laser Energieniveauschema und Laserprinzip Konstruktion und technische Daten Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf 3 Experimentelle Bestimmung des Intensitätsverlaufs Messprinzip Optisches Heterodyn Ergebnisse 4 Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie 5 Zusammenfassung M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

3 Denition und Einteilung Denition Ein Gaslaser ist ein Laser, dessen aktives Medium aus einem Gas oder einem Gasgemisch besteht. M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

4 Denition und Einteilung Denition Ein Gaslaser ist ein Laser, dessen aktives Medium aus einem Gas oder einem Gasgemisch besteht. Man unterscheidet Neutralatom-Gaslaser: z.b. He-Ne-Laser, Metalldampaser Ionenlaser: meist Ar + -Laser Moleküllaser Vibrations- und Rotationslaser: CO 2 -Laser, N 2 -Laser Excimer-Laser: angeregte Edelgas-Halogen-Verbindungen FIR-Gaslaser: H 2 O-, CH 3 OH-, HCN-Laser M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

5 Gaslasertyp aktives Medium λ [µm] P cw [W] E puls [J] τ UV-Moleküllaser ArF ns KrF ns XeCl ns N ns Ionenlaser Kr Ar Neutralatom-Laser He-Cd Cu-Dampf 0.51, ns He-Ne 0.63, 1.15, Infrarot-Molekül- HF µs laser CO µs CO ns FIR-Laser H 2 O 28, 78, µs CH 3 OH µs HCN 331, µs Tabelle: Wellenlängen λ, erreichbare cw-ausgangsleistungen P cw, Pulsenergien E puls und Pulsdauern τ häug benutzter Gaslaser. M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

6 Energieniveauschema und Laserprinzip 4-Niveau-System: 1 He und Ne im Grundzustand M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

7 Energieniveauschema und Laserprinzip 4-Niveau-System: 1 He und Ne im Grundzustand Gasentladung/Elektronenstöÿe 2 He im 2 3 S- oder 2 1 S-Niveau M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

8 Energieniveauschema und Laserprinzip 4-Niveau-System: 1 He und Ne im Grundzustand Gasentladung/Elektronenstöÿe 2 He im 2 3 S- oder 2 1 S-Niveau Stöÿe zweiter Ordnung 3 Oberes Laserniveau: Ne im 2s/3s (τ 100ns) M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

9 Energieniveauschema und Laserprinzip 4-Niveau-System: 1 He und Ne im Grundzustand Gasentladung/Elektronenstöÿe 2 He im 2 3 S- oder 2 1 S-Niveau Stöÿe zweiter Ordnung 3 Oberes Laserniveau: Ne im 2s/3s (τ 100ns) Laserübergang 4 Ne im 3p- oder 2p-Niveau (τ 10ns) M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

10 Energieniveauschema und Laserprinzip 4-Niveau-System: 1 He und Ne im Grundzustand Gasentladung/Elektronenstöÿe 2 He im 2 3 S- oder 2 1 S-Niveau Stöÿe zweiter Ordnung 3 Oberes Laserniveau: Ne im 2s/3s (τ 100ns) Laserübergang 4 Ne im 3p- oder 2p-Niveau (τ 10ns) Stöÿe mit Kapillarwand 5 He und Ne im Grundzustand M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

11 Energieniveauschema und Laserprinzip Laserübergänge im He-Ne-Laser Farbe λ[nm] Übergang Leistung [mw] γ[%/m] ν[mhz] IR s 2 3p 4 > IR s 2 2p IR s 2 2p rot 633 3s 2 2p orange 612 3s 2 2p gelb 594 3s 2 2p grün 543 3s 2 2p M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

12 Energieniveauschema und Laserprinzip Laserübergänge im He-Ne-Laser Farbe λ[nm] Übergang Leistung [mw] γ[%/m] ν[mhz] IR s 2 3p 4 > IR s 2 2p IR s 2 2p rot 633 3s 2 2p orange 612 3s 2 2p gelb 594 3s 2 2p grün 543 3s 2 2p = 3391nm ist stärkste Linie M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

13 Energieniveauschema und Laserprinzip Laserübergänge im He-Ne-Laser Farbe λ[nm] Übergang Leistung [mw] γ[%/m] ν[mhz] IR s 2 3p 4 > IR s 2 2p IR s 2 2p rot 633 3s 2 2p orange 612 3s 2 2p gelb 594 3s 2 2p grün 543 3s 2 2p = 3391nm ist stärkste Linie = Um Emission im VIS zu erhalten muss das Anschwingen der 3391nm-Linie unterdrückt werden M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

14 Konstruktion und technische Daten Pumpprozess: Gasentladung bei U=2kV und I=5-10mA Kapillare: Länge 10cm, kleiner Durchmesser ( 1mm) aufgrund des Relaxationsprozesses nötig Produkt aus Gasdruck und Rohrdurchmesser: pd = mbar mm AM: He:Ne=5:1 für 633nm, He:Ne=9:1 für 1153nm Brewsterfenster: schlieÿt Entladungsrohr ab, minimale Reexionsverluste bei 56.5 für λ = 633nm, hohe Absorption der 3.39µm-Strahlung bei Verwendung von Quarz Wirkungsgrad: 0.1% Lebensdauer: 20000h M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

15 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Verbreiterungsmechanismen Homogene Linienverbreiterung (Lorentz-Prol) Inhomogene Linienverbreiterung (Gauÿ-Prol) M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

16 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Verbreiterungsmechanismen Homogene Linienverbreiterung (Lorentz-Prol) Natürliche Linienbreite ν nat = 1 2π i 1 τ i Inhomogene Linienverbreiterung (Gauÿ-Prol) M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

17 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Verbreiterungsmechanismen Homogene Linienverbreiterung (Lorentz-Prol) Natürliche Linienbreite ν nat = 1 2π i 1 τ i Druckverbreiterung ν coll = 1 3 2πτ = coll 4mkT d 2 p Inhomogene Linienverbreiterung (Gauÿ-Prol) M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

18 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Verbreiterungsmechanismen Homogene Linienverbreiterung (Lorentz-Prol) Natürliche Linienbreite ν nat = 1 2π i 1 τ i Druckverbreiterung ν coll = 1 3 2πτ = coll 4mkT d 2 p Verbreiterung durch strahlungsfreie Übergänge Inhomogene Linienverbreiterung (Gauÿ-Prol) M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

19 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Verbreiterungsmechanismen Homogene Linienverbreiterung (Lorentz-Prol) Natürliche Linienbreite ν nat = 1 2π i 1 τ i Druckverbreiterung ν coll = 1 3 2πτ = coll 4mkT d 2 p Verbreiterung durch strahlungsfreie Übergänge Inhomogene Linienverbreiterung (Gauÿ-Prol) Dopplerverbreiterung ν D = 2ν0 c 2kTln2 m M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

20 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Verbreiterungsmechanismen Homogene Linienverbreiterung (Lorentz-Prol) Natürliche Linienbreite ν nat = 1 2π i 1 τ i Druckverbreiterung ν coll = 1 3 2πτ = coll 4mkT d 2 p Verbreiterung durch strahlungsfreie Übergänge Inhomogene Linienverbreiterung (Gauÿ-Prol) Dopplerverbreiterung ν D = 2ν0 c 2kTln2 m Für den He-Ne-Laser gelten folgende Werte: τ 1 100ns, τ 2 10ns, T K, λ = 633nm, m Ne = 20.18u, p 500Pa, d 500pm M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

21 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Verbreiterungsmechanismen Homogene Linienverbreiterung (Lorentz-Prol) Natürliche Linienbreite ν nat = 1 1 2π τ i = 15MHz i Druckverbreiterung ν coll = 1 3 2πτ = coll 4mkT d 2 p MHz Verbreiterung durch strahlungsfreie Übergänge Inhomogene Linienverbreiterung (Gauÿ-Prol) Dopplerverbreiterung ν D = 2ν0 2kTln2 c m = 1.51GHz Für den He-Ne-Laser gelten folgende Werte: τ 1 100ns, τ 2 10ns, T K, λ = 633nm, m Ne = 20.18u, p 500Pa, d 500pm M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

22 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Dopplerverbreiterung Atome können nach ihrer Geschwindigkeit in Klassen [v, v + dv] eingeteilt werden = Jede Geschwindigkeitsklasse ( ) besitzen homogen verbreiterte Linie der Mittenfrequenz ν = ν 0 1 ± v c = Dopplerverbreiterung gegeben durch Summe aller Geschwindigkeitsklassen M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

23 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Hole Burning Intensives Strahlungsfeldes im Resonator der Frequenz ν führt zur Sättigung der Besetzungsinversion M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

24 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Hole Burning Intensives Strahlungsfeldes im Resonator der Frequenz ν führt zur Sättigung der Besetzungsinversion Bei der Dopplerverbreiterung ndet diese Sättigung nur bei Atomen mit der entsprechenden Geschwindigkeit ±v statt M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

25 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Hole Burning Intensives Strahlungsfeldes im Resonator der Frequenz ν führt zur Sättigung der Besetzungsinversion Bei der Dopplerverbreiterung ndet diese Sättigung nur bei Atomen mit der entsprechenden Geschwindigkeit ±v statt M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

26 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Hole Burning Intensives Strahlungsfeldes im Resonator der Frequenz ν führt zur Sättigung der Besetzungsinversion Bei der Dopplerverbreiterung ndet diese Sättigung nur bei Atomen mit der entsprechenden Geschwindigkeit ±v statt Auch im Verstärkungsprol Sättigung um die Frequenzen ν ± = ν 0 (1 ± v c ) Hole Burning M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

27 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Hole Burning M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

34 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Lamb Dip Intensität des Laserstrahls der Frequenz ν ist portional zur Fläche der jeweiligen Löcher: I A hole M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

35 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Lamb Dip Intensität des Laserstrahls der Frequenz ν ist portional zur Fläche der jeweiligen Löcher: I A hole M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

36 Verstärkungsprol und Intensitätsverlauf Lamb Dip Intensität des Laserstrahls der Frequenz ν ist portional zur Fläche der jeweiligen Löcher: I A hole Zentrales Minimum im Intensitätsprol bezeichnet man als Lamb Dip mit Halbwertsbreite ν LD 2 ν hom M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

37 Messprinzip Wobbelungs-Betrieb Verwendung eines He-Ne-Lasers der Resonatorlänge L = 17cm Modenabstand: ν = 0.9GHz Single-Mode-Laser M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

38 Messprinzip Wobbelungs-Betrieb Verwendung eines He-Ne-Lasers der Resonatorlänge L = 17cm Modenabstand: ν = 0.9GHz Single-Mode-Laser Wobbelungs-Betrieb Minimale Variation der Resonatorlänge um L Durchfahren des Verstärkungsprols mit q-ter Mode: ν q = qc 2(L± L) M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

39 Messprinzip Wobbelungs-Betrieb Verwendung eines He-Ne-Lasers der Resonatorlänge L = 17cm Modenabstand: ν = 0.9GHz Single-Mode-Laser Wobbelungs-Betrieb Minimale Variation der Resonatorlänge um L Durchfahren des Verstärkungsprols mit q-ter Mode: ν q = qc 2(L± L) M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

40 Messprinzip Gemessenes Intensitätsprol des He-Ne-Lasers Abbildung: Vermessenes Intensitätsprol mit Lamb Dip M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

41 Messprinzip Gemessenes Intensitätsprol des He-Ne-Lasers Abbildung: Vermessenes Intensitätsprol mit Lamb Dip Skalierung der t-achse auf Frequenzeinheiten: Abstand der Minima ˆ= Modenabstand des SML ν SML = 0.9GHz 1ms ˆ=115MHz M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

42 Optisches Heterodyn Optisches Heterodyn Kohärente Überlagerung 2er Signale unterschiedlicher Quellen Im Experiment: Moden des Multi-Mode-Lasers mit dem Spektrum des Singel-Mode-Lasers Bedingung für Kurzzeitinteferenzen: exakt die gleiche Frequenz fester Phasenunterschied (zeitliche Kohärenz) paralleler Strahlengang gleiche Polarisation Radius der Phasenächen möglichst gleich groÿ M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

43 Optisches Heterodyn stationäre Inteferenzen zeigen sich als dünne vertikale Striche im Intensitätsprol M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

44 Optisches Heterodyn stationäre Inteferenzen zeigen sich als dünne vertikale Striche im Intensitätsprol Abbildung: Intensitätsprol mit Kurzzeitinteferenzen bei L MML = (60 ± 0.5)cm M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

45 Optisches Heterodyn stationäre Inteferenzen zeigen sich als dünne vertikale Striche im Intensitätsprol Abbildung: Intensitätsprol mit Kurzzeitinteferenzen bei L MML = (60 ± 0.5)cm 2 Moden erkennbar: Modenabstand ν exp = (264.5 ± 12)MHz Auÿerdem: ν th = c 2L MML = (250 ± 2)MHz M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

46 Ergebnisse Experimentelle Ergebnisse Halbwertsreite des Lamb Dip: ν LD = 123MHz ν hom = 61.5MHz Vgl. natürliche Linienbreite und Druckverbreiterung: ν nat = 15MHz, ν coll 50MHz MHz M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

47 Ergebnisse Experimentelle Ergebnisse Halbwertsreite des Lamb Dip: ν LD = 123MHz ν hom = 61.5MHz Vgl. natürliche Linienbreite und Druckverbreiterung: ν nat = 15MHz, ν coll 50MHz MHz Oszillationsbandbreite des He-Ne-Lasers: ν Osz 667MHz M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

48 Ergebnisse Experimentelle Ergebnisse Halbwertsreite des Lamb Dip: ν LD = 123MHz ν hom = 61.5MHz Vgl. natürliche Linienbreite und Druckverbreiterung: ν nat = 15MHz, ν coll 50MHz MHz Oszillationsbandbreite des He-Ne-Lasers: ν Osz 667MHz Auösungsvermögen (für ν ˆ=0.2ms): AV = ν ν = Vgl. Prismenspektrometer: AV PS M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

49 Ergebnisse Experimentelle Ergebnisse Halbwertsreite des Lamb Dip: ν LD = 123MHz ν hom = 61.5MHz Vgl. natürliche Linienbreite und Druckverbreiterung: ν nat = 15MHz, ν coll 50MHz MHz Oszillationsbandbreite des He-Ne-Lasers: ν Osz 667MHz Auösungsvermögen (für ν ˆ=0.2ms): AV = ν ν = Vgl. Prismenspektrometer: AV PS Messung von Längenänderungen: 3.2ms ˆ=λ/2 1ms ˆ=138nm M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

50 Aufbau Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

51 Messprinzip M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

52 Zusammenfassung Einteilung der Gaslaser in Ionen-, Neutralatom- und Molekülgaslaser Meist sehr geringe Kleinsignalverstärkung mehrmaliges Durchlaufen des AM nötig Linienformfunktion ist dopplerverbreitert und somit eine Gauÿ-Kurve Sättigung führt zum Hole Burning im Verstärkungsrol und zum Lamb Dip im Laser-Spektrum (Intensitätsverlauf) Anwendung ndet der Lamb Dip zum Beispiel in der dopplerfreien Sättigungsspektroskopie M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21

53 Literatur R. Albrecht and C. Becher. Versuchsbeschreibung: Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie an Rubidium. Universität des Saarlandes. Eichler and Eichler. Laser- Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. Sringer, B. E. A. Saleh and M. Teich. Fundamentals of Photonics. John Wiley & Sons, Inc., Schlenvoigt. Praktikumsanleitung zum Versuch Gaslaser. FSU Jena, M.W. Sigrist and F.K. Kneubühl. Laser. Teubner, H. Stafast, J. Limpert, and A. Tünnermann. Skript zur Vorlesung Laser Physics. FSU Jena. M. Heusinger (FSU Jena) Gaslaser 14. Mai / 21