Vorlesung 3233 L 541 WS 13/14 Nichtlineare Laserdynamik. PD Dr. Kathy Lüdge, EW 741

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1 Vorlesung 3233 L 541 WS 13/14 Nichtlineare Laserdynamik PD Dr. Kathy Lüdge, EW 741

2 Organisatorisches Wahllehrveranstaltung, 2SWS Rücksprachen finden am Ende der Vorlesungszeit statt! Kombination zum Wahlpflichtfach mit Theoretische Physik VI (Vertiefung) : "Nichtlineare Dynamik und Kontrolle" von Prof. Dr. H. Engel Information zu elektronischen Scheinen auf der Webseite! Zeit: 10 Uhr bis 11:30! Ziel der Veranstaltung Nichtlinearen Laserdynamik : - Einführung in theoretische Beschreibung nichtlinearer Effekte in komplexen Lasersystemen Rückkopplung, Injektion - Erlernen asymptotisch reduktiver Methoden -lineare und nichtlineare Stabilitätsanalyse

3 Was ist ein Laser? LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Lichtverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung Licht R 1 R 2 Aktives Medium Spiegel Energiezufuhr (Pumpen) Hohlraum-Resonator Eigenschaften des Lichtes? offenes Vielteilchensystem System im thermischen Nicht Gleichgewicht

4 Eigenschaften von Laserlicht (1) Monochromasie 15 Frequenzunschärfe f 1 Hz, f / f 10 für sichtbares Licht (Laserlicht: reiner Ton Glühlampe: Rauschen) (2) Kohärenz langer Wellenzug, typisch km (gewöhnliche Lampen: ca.5m) (3) Hohe Intensität Dauerbetrieb 100kW, Gepulst von Gigawatt bis zu W (Bsp. CO 2 -Laser) (4) Geringer Öffnungswinkel (5) Kurze intensive Lichtpulse Femtosekunden-Attosekunden Pulse möglich

5 Photonenstatistik in Laser und Glühlampe Sieht man Licht an, ob es vom Laser oder von einer Glühlampe +Spektralfilter+strahlkorrigierende Optik kommt? Antwort: Ja Photonenstatistik ist verschieden anti-bunching zufällig (Poissonverteilung) bunching (thermisch verteilt)

6 Photonenstatistik in Laser und Glühlampe Sieht man Licht an, ob es vom Laser oder von einer Glühlampe +Spektralfilter+strahlkorrigierende Optik kommt? Antwort: Ja Photonenstatistik ist verschieden Poisson-Verteilung Thermische Verteilung Quantenmechnischer Charakter des Laserlichtes Im Gleichgewicht gilt Bose Einstein Statistik

7 Logische Herangehensweise Modell Hierachie Bilanzgleichungen Mittlere Photonenzahl und Besetzungszahlen Intensitätsverteilung, Einschaltdynamik,Modenwettbewerb Semiklassische Gleichungen Verstärker, Pulsdynamik, Modenkopplung Schwierigkeitsgrad Quantenmechnische Beschreibung Licht und Atome durch Schrödingergleichung beschieben Photonenstatistik, Linienbreite

8 Leistung (mw) Inhalt der Vorlesung 1. Einführung i. Historisches, Schwarzer Strahler, Lasertypen 2. Bilanzgleichungen (Ratengleichungen) i. Ein-Moden-Laser Relaxationsoszillationen (nahe am Fixpunkt) Spiking (weit weg vom Fixpunkt) ii. Vielmodenlaser Lochbrennen Modenwettbewerb Spiking Lichtleistung nach Einschalten eines Nd:YAG Lasers Relaxationsosz. Zeit (ms)

9 Inhalt 3. Semiklassische Lasergleichungen i. Zeitabhängige Lösung und Modenkopplung ii. Ultrakurze Pulse iii. Instabilitäten - Analogie zu Lorentz Gleichungen 4. Komplexe Lasersysteme i. Laser mit optischer Rückkopplung ii. Laser mit optische Injektion

10 Literatur Lasertheorie H. Haken, Licht und Materie Vol. I, Elemente der Quantenoptik H. Haken, Licht und Materie Vol. II, Laser, North Holland 1985 Asymptotische Methoden T. Erneux, P. Glorieux, Laser Dynamics, Cambridge Univ. Press, 2010 Halbleiterlaser L.A. Coldren, S.W. Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits Wiley & Sons, 1995 W.W. Chow, S.W. Koch, M. Sargent III, Semiconductor Laser Physics, Springer Verlag 1994

11 Ablauf Übung Dynamik am Besten zu verstehen durch eigenes Ausprobieren Am Ende der Vorlesung gibt es kleine Aufgaben zur nächsten Woche Dynamics Solver Wer nicht selbst programmieren möchte kann die Freeware Dynamics Solver nutzen

12 1. Einführung Historisches

13 Quelle: Physik Journal, Juli 2010

14

15 Der erste Laser (1960) Aufbau eines Rubinlasers Vorgeschlagen von Schalow und Townes 1958) Gepulste optische Anregung durch Blitzlampe T.H. Mainman mit dem ersten Laser (1960) Dauerstrichbetrieb: Nelson and Boyle (1962)

16 Historische- Entwicklung Datenübetragung Datenübertragung mit Laserstrahl: 1961 Lichtleitung in Glasfasern: A. Javan (rechts) bei der Justage eines HeNe Lasers Dauerstrich Laserdiode: 1970 Transatlantikkabel TAT 1 (4 Mbit/s) 1956 TAT 14 (64 10 Gbit/s) 2001 Main One Cable System (2 Tbit/s) 2010 Erste GaAs Laserdiode, 1962 gepulster Betrieb in flüssigem He Dauerstrich Laserdiode (BellLabs) 1970

17 1964 James Bond Goldfinger Erster Laser im Kinofilm

18 Reality: The Airborne Laser Project Megawatt chemical oxygen iodine laser (COIL) (Projekt beendet in 2012) Wellenlänge: µm

19 Hochleistungslaser - Petawatt Laser Ultrakurze hochintensive Pulse 42.2J in 40fs jede Sekunde stark optisch gepumpter Ti:Saphir Laser Anwendung: Teilchenbeschleunigung Kernfusion Berceley Lab Laser Accelerator (BELLA) National Ignition Facility (NIF)

20 Wichtige Nobelpreise für Laser 1964 Charles Townes (USA), Nicolay Basov und Aleksandr Prokhorov (UdSSR) für grundlegende Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenelektronik, die zur Konstruktion von Oszillatoren und Verstärkern auf der Basis des Maser-Laser-Prinzips führten Laser Anwendung 1981 Nicolaas Bloembergen und Arthur Schawlow (USA) geteilt für ihren Beitrag zur Entwicklung der Laserspektroskopie Laser Anwendung 1997 C.Cohen-Tannoudji (franz.), Steven Chu und William Phillips (USA) für ihre Entwicklung von Methoden zum Kühlen und Einfangen von Atomen mit Hilfe von Laserlicht 2000 Zhores Alferov (russisch), Herbert Kroemer (deutsch) geteilt für die Entwicklung von Halbleiterheterostrukturen für Hochgeschwindigkeits- und Optoelektronik Laser Anwendung 2005 Theodor Hansch (deutsch), John Hall (USA) für Beiträge zur Entwicklung der laserbasierten Präzisionsspektrographie, einschließlich der Technik des optischen Frequenzkamms Laser Anwendung 2012 Serge Haroche (Frankreich) David Wineland (USA) Entwicklung der Möglichkeit Quantensysteme zu manipulieren

21 Geburtsstunde der Lasertheorie: Probleme bei der Erklärung der Emission Schwarzer Strahler

22 Spektrale Energiedichte Induzierte Emission (postuliert von Einstein 1917) Einsteins Ziel: Herleitung der Planckschen Strahlungsformel. 2 8 h ( ) d d 3 h c e 1 Energiedichte des Strahlungsfeldes langwelliger Teil: gute Übereinstimmung mit klassischen Gleichverteilungssatz Rayleigh Jeans Gesetz Wellenlänge kurzwelliger Teil: Ultraviolettkatastrophe

23 Induzierte Emission (postuliert von Einstein 1917) Einsteins Ziel: Herleitung der Planckschen Strahlungsformel. 2 8 h ( ) d d 3 h c e 1 Energiedichte des Strahlungsfeldes Einsteins Postulat: Stimulierte Emission proportional zur Energiedichte des Strahlungsfeldes Rate der stimulierten Emission Rind N Zahl angeregter Atome Theorie: Wechselwirkung von Licht und Materie semi-klassisch beschreibbar!

24 Lasertypen (kurzer Abriss)

25 Festkörperlaser (1) Rubin-Laser Cr 3+ -Dotierungsatome in Al 2 O 3 -Kristall 3-Niveau System

26 Festkörperlaser (2) Nd:YAG-Laser (Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) 4-Niveau System Atome sind als Störstellen in den Festkörper eingebaut Titan Saphir Laser: vibronischer Laser 0,79µm thermische Schwingungen des Kristallgitters führt zu starker Verbreiterung 670 bis 1070 nm

27 Faserlaser spezielle Form des Festkörperlasers: dotierte Glasfaser robusten Aufbau, hohe Strahlqualität und Effizienz 50 kw (Multimode, ) und 3 kw (Singlemode)

28 Gaslaser: Laseraktive Atome bilden ein Gas He-Ne-Laser Pumpen durch Stoßanregung der Heliumatome mittels energiereicher Elektronen (Gasentladung)

29 Laserübergang in Molekülen Excimer-Laser 2-atomige Moleküle aus einem Atom im Grundzustand und einem Atom im angeregten Zustand relaxiert das angeregte Atom, so zerfällt das Molekül (N 1 =0) Anregung durch hochenergetische Elektronenstrahlen Emision im UV (Xe 2, Kr 2, Ar 2, XeBr,...) Farbstofflaser organische Farbstoffe, z.b. Rodamin6G (1966 von Schäfer erfunden) durch unterschiedliche Farbstoffe leicht durchstimmbar CO 2 -Laser - Übergänge zwischen Molekülschwingungszuständen Hoher Wirkungsgrad (30%) 1964 von Patel entwickelt; l=10,6µm

30 Halbleiterlaser Laserübergang innerhalb Bandstruktur Vorteile: direkt elektrisch gepumpt Hohe Effizienz 50% (1% bei Gaslaser) gezielte Steuerung kleine Größe sehr zuverlässig, lange Lebensdauer 100 Jahre (1000 h bei anderen) Nachteile: großer Öffnungswinkel (korrigierende Optik nötig) geringe Intensität (zu lösen mit vielen Lasern) vielmodig (zu lösen mit Bragg Gitter)

31 Halbleiterlaser Laser -Viele Experimente zu nichtlinearen Effekten in Lasern finden mit Halbleiterlasern statt (optische Rückkopplung, Modenkopplung, Anregbarkeit) -komplexe Strukturierung der Laser möglich (AG Bimberg, AG Kneissl)

32 Markt für Laseranwendungen 2008 sonstige Laser 50% Halbleiterlaser 50% LASER MARKETPLACE

33 Anwendungen von Halbleiterlasern Blau-violett 405 nm Blu-ray-Disc- und HD-DVD-Laufwerke 445 nm Videoprojektoren Rot 650 nm DVD-Laufwerke, Laserpointer 670 nm Barcodelesegeräten (seit 1974), Laserpointer 780 nm CD-Laufwerke (seit 1982), Laserdrucker, Lichtschranken Telekommunikation 1064 nm 1310 nm Glasfasernetze zur Datenübertragung 1550 nm (minimale Absorptionsverluste im Glas auf dieser Wellenlänge) Kommerzielle Anwendungen verwenden Quantentrog Laser!

34 Zustandsdichte Zustandsdichte Halbleiterlaser: Reduzierung der Dimension der aktiven Zone Volumen (3 Dimensionen) Quantentrog (2 Dimensionen) Quantenpunkt (0 Dimensionen) Energie der Elektronen Bild von QD Laser, Fujitsu Hinweis Vorlesung: Electronic Structure Theory Dr. Patrick Rinke, Mittwochs, 14-16, Raum EW 203

35 Vorlesung Nichtlineare Laserdynamik Konzentration auf grundlegende Gleichungen, die im Prinzip auf alle Laser anzuwenden sind Start: Bilanzgleichungen / Ratengleichungen Unterhalb der Schwelle kein Laserlicht Oberhalb der Schwelle Laserlicht! Pumpstrom j Pumpstrom Laserlicht Streuverluste invertierte Atome spontane Emission invertierte Atome Streuverluste