Lasertechnik. Eine Einführung DR. ALFRED HÜTHIG VERLAG HEIDELBERG. 4. Auflage. Mit 342 Bildern, 130 Tabellen, 2 Tafeln

Transkript

1 Lasertechnik Eine Einführung 4. Auflage Mit 342 Bildern, 130 Tabellen, 2 Tafeln DR. ALFRED HÜTHIG VERLAG HEIDELBERG

2 Inhaltsverzeichnis 1. Physikalische Grundlagen Licht als elektromagnetische Welle Erzeugung elektromagnetischer Strahlung Grundlagen Konventionelle Lichtquellen Der Laser als Lichtquelle Der Laser Theoretische Grundlagen Einführung Übergangswahrscheinlichkeiten Bilanzgleichungen Strahlungseigenschaften Linienbreite und Linienform Strahlungseigenschaften des idealen Lasers Kopplung von Eigenschwingungen (mode locking) Erzeugung einer Besetzungsinversion Optische Resonatoren Einführung Resonator mit ebenen kreisförmigen Spiegeln * Stabile Resonatoren mit kreisförmigen Spiegeln Instabiler Resonator mit konfokalem Spiegelsystem Modenselektion in optischen Resonatoren Selektion von Longitudinalmoden Selektion der TEM 00 -Transversalmode Experimentelle Technik der Resonatoren Schwellenbedingung für den Laserbetrieb Festkörperlaser Einführung Physikalische Grundlagen Aktive Medien Anregung Rubinlaser Neodym-Glaslaser Neodym-YAG-Laser Hochleistungs-Festkörperlaser Miniatur-Festkörperlaser Strahlungseigenschaften des Festkörperlasers Gaslaser Einführung 82

3 10 Inhaltsverzeichnis Physikalische Grundlagen Aktive Medien Anregung Aufbau Gaslaser im ultravioletten Spektralbereich Überblick Wasserstofflaser (H 2 -Laser) Stickstofflaser (N 2 -Laser) Excimerlaser Helium-Cadmium-Laser (He-Cd-Laser) Gaslaser im sichtbaren Spektralbereich Überblick Helium-Neon-Laser (He-Ne-Laser) Edelgasionenlaser Metalldampflaser Gaslaser im infraroten Spektralbereich Überblick Kohlenmonoxidlaser (CO-Laser) Kohlendioxidlaser (C0 2 -Laser) Laser im fernen Infrarot (FIR-Laser) Strahlungseigenschaften von Gaslasern Halbleiterlaser Einführung Physikalische Grundlagen Aktive Medien Anregung Aufbau Herstellung von pn-übergängen Spezielle Laserstrukturen GaAs-Injektionslaser Al^Gai^As/GaAs-Injektionslaser Ga^Inj ^As^Pj,,/InP-Tnjektionslaser Al^Ga^jASySoi-^/GaSb-Injektionslaser PbSnTe-Laser Strahlungseigenschaften des Injektionslasers Farbstofflaser Einführung Physikalische Grundlagen Aktive Medien Anregung Anregungsanordnungen cw-farbstofflaser Blitzlampen-Farbstofflaser Nanosekunden-Farbstofflaser Strahlungseigenschaften des Farbstofflasers Weitere Lasertypen Farbzentrenlaser Laser an freien Elektronen Rekombinationslaser Chemische Laser Besondere Laseranordnungen Gütegesteuerter Lassr 174

4 Inhaltsverzeichnis 11 LP Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse Frequenzstabilisierte Laser Optische Elemente in Lasersystemen : Kenngrößen optischer Medien GAUss-Bündel Optische Aktivität (FARADAY-Effekt) Optisch einachsige Kristallplatten Beugungsgitter zur Wellenlängendiskriminierung Anwendungen der Laser in Physik, Chemie, Biologie und Medizin Einführung Nichtlineare Optik Einführung Nichtlineare Suszeptibilitäten Einfluß der räumlichen Symmetrie Effektive quadratische Nichtlinearitäten Parametrische Prozesse Methoden der Phasenanpassung Erzeugung der zweiten Harmonischen Erzeugung von Summen- und Differenzfrequenzen Parametrische Fluoreszenz, Verstärkung und Oszillation Erzeugung der dritten Harmonischen und höherer Harmonischer Vierwellenmischung Streuprozesse Intensitätsabhängige Brechzahl Zweiphotonenabsorption Nichtlineare optische Effekte unter speziellen Bedingungen Nichtlineare optische Effekte in dielektrischen Wellenleitern Nichtlineare optische Effekte an Oberflächen Neue Funktionselemente auf der Grundlage von Effekten der NLO Optische bistabile Elemente Phasenkonjugation Laserspektroskopie Einführung Lineare Laser-Absorptionsspektroskopie Hochauflösende Spektroskopie innerhalb der DoppLER-Breite RAMAN-Spektroskopie Ultrakurzzeit-Spektroskopie Spezielle Laseranwendungen in der Analytik Laserfotochemie Einführung Laser in der Fotochemie Infrarot-Laserfotochemie Absorption und Relaxation der Moleküle Ein- und Mehrstufenprozesse Multiphotonenabsorption Fotochemie mit Lasern im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich Anwendungsn Isotopenanreicherung mit Laserstrahlen 252

5 12 Inhaltsverzeichnis Laserfotochemische Prozesse in der Mikroelektronik Stoffreinigung Selektive Lassrbiochemie Nachweismethoden Ausblick Anwendungen der Laser in Biologie und Medizin Einführung Lasereinsatz in der biologisch-medizinischen Grundlagenforschung und in der medizinischen Diagnostik Spektroskopische Methoden in der chemischen und biologischmedizinischen Forschung Spektraluntersuchungen in der klinischen Biochemie Spezielle Methoden der Diagnostik mit Lasern Lasereinsatz in der medizinischen Therapie Einführung Thermische Laserchirurgie Nichtthermische Lasermikrochirurgie Fotochemotherapie von Tumoren Sicherheitstechnische Aspekte Ausblick Lasergesteuerte Kernfusion Einführung Prinzip der lasergesteuerten Kernfusion und Anforderungen an das Lasersystem Wechselwirkung Laserstrahlung - Plasma Ausblick Anwendungen der Laser in der Technik Materialbearbeitung Einführung Wechselwirkung Laserstrahlung - Werkstoff Laser für die Materialbearbeitung Schweißen mit Lasern Trennen und Bohren mit Lasern Abtragende Bearbeitung mit gepulster Laserstrahlung Trennen mit kontinuierlicher Laserstrahlung Spezielle Technologien Laserbearbeitung dünner Metallschichten Bearbeitung von Halbleitern Wärmebehandeln (Härten) Umschmelzveredeln Gravieren und Beschriften Ausblick Metrologie Fluchtung und Steuerung Aufbau der Lasergeräte (Baulaser) Lasernivelliere Lasertheodolite Rotations- und Lotlaser 333

6 Inhaltsverzeichnis Empfänger zur Laserstrahlortung Anwendungsgebiete Längenmessung Meterdefinition und ihre Realisierung Nationale Normale der Maßeinheit der Länge Industrielle Laserinterferometer Hochauflösende Laserinterferometer Modulation der Laserstrahlung Laufzeitmessung von Lichtsignalen Beugung Abtastverfahren Geschwindigkeitsmessung :3.1. Messung von Winkelgeschwindigkeiten Messung translatorischer Geschwindigkeiten Optische Informationsübertragung Einführung Übertragungsmedien Übertragung durch die Erdatmosphäre Linsenleiter Optische Wellenleiter Sendelichtquellen Modulation Empfänger Repeater Übertragungssysteme Holografie Grundlagen Hologrammtypen Anwendungen Hologramminterferometrie Holografisch-optische Speicherung Optische Informationsverarbeitung Weitere Anwendungen Digital-optische Speicherung Notwendigkeit einer digital-optischen Speicherung von Informationen Read-only-Verfahren Optischer Lesekopf zum Auslesen von Audioplatten Write-once-Verfahren Digital-optische Einspeicherung von Informationen in magnetooptische Schichten Faseroptische Sensoren Pikosekunden-Optoelektronik Integrierte Optik Einführung Lichtausbreitung in ebenen dielektrischen Wellenleitern Elemente in wellenleitenden Strukturen Beispiele für realisierte Systeme Materialien und Herstellungsverfahren Ausblick Laserdrucker Laser in der Rechentechnik 428

7 14 Inhaltsverzeichnis AL NS Lv Laser in der Fotografie Laser zur Abtastung und Identifikation Laser als Meßmittel Arbeitsschutz bei Laserarbeiten Gefährdungen bei Laserarbeiten Laserspezifische Gefährdungen Gefährdungen des Auges Gefährdungen der Haut Laserunspezifische Gefährdungen Schutzmaßnahmen Begriffsbestimmungen Klassifikation von Lasergeräten Grenzwerte für die Exposition durch Laserstrahlung Quantitative Betrachtung konkreter Betriebsbedingungen Spezielle Maßnahmen für den Augenschutz Allgemeine Schutzmaßnahmen Nachweis elektromagnetischer Strahlung Grundlagen und Begriffe Strahlungsgrößen Kennzeichnung der Strahlungsquellen Strahlungsarten Nachweismethoden Kalorimetrische Nachweismethoden Fotoelektrische Nachweismethoden Fotochemische Nachweismethoden Nichtlineare optische Effekte (NLO-Effekte) Eigenschaften und Kenngrößen der Strahlungsempfänger Empfänger und Meßtechniken für den Nachweis von cw- und Impulsstrahlung Thermische und IR-Fotoempfänger Detektoren mit äußerem Fotoeffekt Meßtechniken hoher Zeitauflösung Meßtechniken hoher Nachweisempfindlichkeit Bilderfassender Nachweis Bildaufnahmeröhren Festkörper-Bildempfänger Optische Vielkanalanalyse (OVA) 491 Literaturverzeichnis 493 Sv Sachwortverzeichnis 521