1. Physikalische Grundlagen 15

Transkript

1 1. Physikalische Grundlagen Licht als elektromagnetische Welle Einführung Erzeugung elektromagnetischer Strahlung Grundlagen Konventionelle Lichtquellen Der Laser als neuartige Lichtquelle Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung Einführung Kenngrößen optischer Medien Ebene elektromagnetische Wellen Optische Aktivität (FARADAY-Effekt) GAUSS-Bündel Reflexion und Brechung des Lichtes Anwendungen von optisch einachsigen Kristallplatten Geometrische Optik Interferenz Beugung Beugungsgitter Nachweis elektromagnetischer Strahlung Grundlagen und Begriffe Nachweismethoden 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) Der Laser Theoretische Grundlagen Einführung Übergangswahrscheinlichkeiten 102

2 10 Inhaltsverzeichnis 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 0 o-transversalmode Experimentelle Technik der Resonatoren Schwellenbedingung für den Laserbetrieb Festkörperlaser Einführung Physikalische Grundlagen Aktive Medien Anregung Der Rubinlaser Der Neodym-Glaslaser Der Neodym-YAG-Laser Hochleistungs-Festkörperlaser Miniatur-Festkörperlaser Strahlungseigenschaften des Festkörperlasers Gaslaser Einführung Physikalische Grundlagen Aktive Medien Anregung Aufbau Gaslaser im ultravioletten Spektralbereich Überblick Der Wasserstofflaser (H 2 -Laser) Der Stickstofflaser (N 2 -Laser) Der Edelgashalogenidlaser Der Helium-Cadmium-Laser (He-Cd-Laser) Gaslaser im sichtbaren Spektralbereich Überblick Der Helium-Neon-Laser (He-Ne-Laser) Der Edelgasionenlaser Der Metalldampflaser Gaslaser im infraroten Spektralbereich Überblick Der Kohlenmonoxidlaser (CO-Laser) Der Kohlendioxidlaser (CO 2 -Laser) 191

3 Inhaltsverzeichnis Laser im fernen Infrarot (FIR-Laser) Strahlungseigenschaften von Gaslasern Halbleiterlaser Einführung Physikalische Grundlagen Aktive Medien Anregung Aufbau Der GaAs-lnjektionslaser Der PbSnTe-Laser Strahlungseigenschaften des Injektionslasers Farbstofflaser Einführung Physikalische Grundlagen Aktive Medien Anregung Anregungsanordnungen Der cw-farbstofflaser Der Blitzlampen-Farbstofflaser Der Nanosekunden-Farbstofflaser Strahlungseigenschaften des Farbstofflasers Besondere Laseranordnungen Der gütegesteuerte Laser Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse Der frequenzstabilisierte Laser Weitere Lasertypen 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 und höheren Harmonischen Vierwellenmischung Streuprozesse Intensitätsabhängige Brechzahl Zweiphotonenabsorption Laserspektroskopie Einführung 275

4 12 Inhaltsverzeichnis 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 Anwendungen Isotopenanreicherung mit Laserstrahlen Stoffreinigung Selektive Laserbiochemie 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 Physikalische Grundlagen des Wechselwirkungsmechanismus zwischen Laserstrahlung und biologischem Gewebe Verwendete Laserlichtquellen Einsatzgebiete der verschiedenen Lasertypen 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 Strahlung-Werkstoff 330

5 Inhaltsverzeichnis Laser für die Materialbearbeitung Schweißen mit Lasern Trennen und Bohren mit Lasern Abtragende Bearbeitung mit gepulster Laserstrahlung Trennen mit kontinuierlicher Laserstrahlung Spezielle Technologien Laserbearbeiten dünner Metallschichten Wärmebehandeln (Härten) Umschmelzveredeln Ritzen von Substraten Gravieren und Beschriften Metrologie Fluchtung und Steuerung Aufbau der Lasergeräte (Baulaser) Lasernivelliere Lasertheodolite Rotations- und Lotlaser Empfänger zur Laserstrahlortung Anwendungsgebiete Geschwindigkeitsmessung Messung von Winkelgeschwindigkeiten Messung translatorischer Geschwindigkeiten Längenmessung Optische Informationsübertragung Einführung Übertragungsmedien Übertragung durch die Erdatmosphäre Linsenleiter Optische Wellenleiter Sendelichtquellen Modulation Empfänger Repeater Übertragungssysteme Holografie Grundlagen Hologrammtypen Anwendungen Hologramminterferometrie Optische Speicherung Optische Informationsverarbeitung Weitere Anwendungen 450 AL 5. Arbeitsschutz bei Laserarbeiten Gefährdungen bei Laserarbeiten Laserspezifische Gefährdungen Gefährdungen des Auges 453

6 14 Inhaltsverzeichnis Gefährdungen der Haut Sonstige Gefährdungen Schutzmaßnahmen Begriffsbestimmungen Klassifikation von Lasergeräten Grenzwerte für die Exposition durch Laserstrahlung Quantitative Betrachtung konkreter Betriebsbedingungen Spezielle Maßnahmen für den Augenschutz Allgemeine Schutzmaßnahmen 471 Literaturverzeichnis 476 Lv Sachwortverzeichnis 488 Sv