Laserphysik. R. Beigang Fachbereich Physik Technische Universität Kaiserslautern. Vorlesung 4 SWS WS 2009/10

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1 Laserphysik R. Beigang Fachbereich Physik Technische Universität Kaiserslautern Vorlesung 4 SWS WS 2009/10 Mo Uhr HS Fr Uhr HS Laserphysik, WS09/10 1

2 0. Organisatorisches Termine: Termine Laserphysik, WS09/10 2

3 0. Organisatorisches Skript: Fragen: Tel.: , Ausweichtermine in Raum Termine:?? Laserphysik, WS09/10 3

4 Inhalt: 1. Einleitung 2. Wechselwirkung Licht-Materie 3. Bilanzgleichungen 4. Kontinuierlicher Betrieb 5. Relaxationsoszillationen 6. Güteschaltung 7. Laserresonatoren 8. Modenkopplung 9. Lasertypen 10.Anwendungen Inhaltsverzeichnis ist dynamisch, kann sich im Lauf der Vorlesung ändern Laserphysik, WS09/10 4

5 Warum sollte ich diese Vorlesung besuchen? a) Ich brauche den Schein. b) Prüfungsstoff c) Ich habe sonst nichts zu tun. d) Ich finde Laser faszinierend. Spannende Physik mit Lasern: Höchstleistungslaser Optische Uhren Gravitationswelleninterferometer Medzinische Anwendungen Terahertz-Erzeugung Ultrakurzpulsphysik. Laserphysik, WS09/10 5

6 Literatur Siegman Kneubühl & Sigrist Köchner Eichler Svelto Meschede Zusätzliche Literatur zu speziellen Themen Laserphysik, WS09/10 6

7 Laser Laser Kunstwort aus den Begriffen: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Schlüsselworte: Verstärkung und stimulierte Emission Wechselwirkung Licht - Materie Laserphysik, WS09/10 7

8 WW-Prozesse Licht - Materie Laserphysik, WS09/10 8

9 Prinzip des Lasers Drei Schlüsselkomponenten für einen Laser verstärkendes Medium optische Rückkopplung Pumpprozess Pumpprozess präpariert das verstärkende Medium Verstärkung bei jedem Resonatordurchlauf Wenn Verstärkung > Verluste, dann Laseroszillation Laserphysik, WS09/10 9

10 Stimulierte Absorption/Emission Stimulierte Emission kann zu Verstärkung führen Absorption Emission Verstärkung beruht auf stimulierter Emission Übergangsraten proportional zu Photonenzahl und Besetzung Wenn stimulierte Emission größer ist als Absorption dann Verstärkung Besetzungsinversion Voraussetzung für Verstärkung Laserphysik, WS09/10 10

11 Prinzip des Lasers Erzeugung einer Besetzungsinversion Im thermischen Gleichgewicht keine Besetzungsinversion möglich (Boltzman-Verteilung) Energiezufuhr von außen für Besetzungsinversion Selektive Anregung des oberen Laserniveaus Relaxationsraten bestimmen Besetzungszahlen Laserphysik, WS09/10 11

12 Prinzip des Lasers Optische Rückkopplung: Resonator 100% Spiegel Auskoppel-Spiegel Transmission T Nach jedem Durchgang Verstärkung oder Abschwächung je nach Verhältnis von Verstärkung zu Verlusten Sphärische Spiegel führen zu Gauß schem Strahlprofil Laserphysik, WS09/10 12

13 Prinzip des Lasers Laserphysik, WS09/10 13

14 Grundbausteine für einen Laser Verständnis von drei physikalischen Phänomenen 1. Wechselwirkung von elm. Strahlung mit Materie - Absorption und Emission - stimulierte und spontane Prozesse - Bedingung für Verstärkung (statt Absorption) 2. Wie erzeuge ich Verstärkung? Kombination dieser drei Grundelemente erlaubt die Beschreibung von Laser-Oszillatoren und -Verstärkern - Dynamik der Besetzungsentwicklung zwischen quantisierten Zuständen eines Systems - wie erzeuge ich Besetzungsinversion - Gleichgewichtszustände (Sättigung) 3. Ausbreitung von elm. Wellen im Raum und Resonatoren - Gauß sche Strahlen - Interferometer (optische Rückkopplung) Laserphysik, WS09/10 14

15 Besonderheiten eines Lasers Besonderheiten eines Lasers Vergleich zu konventionellen thermischen Lichtquellen Kohärenz der Laserstrahlung hohe Korrelation in Raum und Zeit Räumliche Kohärenz Zeitliche Kohärenz Erzeugung ultrakurzer Pulse Extrem hohe Pulsleistungen möglich geringe Divergenz, beugungsbegrenzt Propagation über große Strecken ~ w Fokussierbarkeit ~ nahezu ideale Sinuswelle präzise Messung von Zeit und Entfernung < 5 fs (1 optischer Zyklus) Petawatt Spitzenleistung (10 15 ) Kilowatt mittlere Leistungen Laserphysik, WS09/10 15

16 Lasertypen Lasertypen Klassifizierung nach Gainmedium Gaslaser Elektronenstoßanregung geringe Effizienz (typisch 10-4 ), diskrete Wellenlängen (uv ir) HeNe, Ar-Ionen, CO 2 Festkörperlaser Optisches Pumpen regt Dotierungsionen im Festkörper an Effizient, hohe Leistung, oft weit durchstimmbar, Erzeugung kurzer Pulse (typisch im NIR) Nd:YAG, Ti:Saphir Halbleiterlaser Injektionsstrom erzeugt Inversion klein (< mm 3 ), effizient, leicht zu modulieren AlGaAsP, InGaAsP, AlGaN, (typisch NIR, FIR UV) Laserphysik, WS09/10 16

17 Lasertypen Alle Laser basieren auf dem gleichen Grundprinzip Laserphysik, WS09/10 17

18 Lasertypen Laser action of dyes in gelatin Hansch, T.; Pernier, M.; Schawlow, A. Quantum Electronics, IEEE Journal of Volume 7, Issue 1, Jan 1971 Page(s): Laserphysik, WS09/10 18

19 Historisches Laserphysik, WS09/10 19

20 Maser Laserphysik, WS09/10 20

21 Optische/infrarote Maser Optische Maser Physical Review 112, vol. 6, 1940 (1958): Überlegungen zu: - Resonatorgeometrie (Cavity ist viel größer als die Wellenlänge - Maserbetrieb bei kurzen (uv) Wellenlängen (limitiert durch spontane Emission) Charles Townes - Optisches Pumpen - Untersuchungen von Na-Dampf als Modellsystem Laserphysik, WS09/10 21

22 Rubin-Laser Rubinlaser Aufbau des ersten Rubinlasers T. H. Maimann mit dem ersten Laser Dauerstrichbetrieb Nelson und Boyle 1962 Gepulste optische Anregung durch eine Blitzlampe Laserphysik, WS09/10 22

23 Gas-Laser Erster HeNe Gaslaser am 12. Dezember A. Javan (rechts) bei der Justage eines HeNe Lasers Erste Datenübertragung mit einem Laserstrahl am 13. Dezember 1960 Laserphysik, WS09/10 23

24 Diodenlaser Diodenlaser Erste GaAs-Laserdiode 1962 Homojunction Gepulster Betrieb Kryogene Temperaturen (4/77 K) Laserphysik, WS09/10 24

25 Diodenlaser Laserphysik, WS09/10 25

26 Diodenlaser Laserdiodenstacks: 1 2 kw aus einer Streichholzschachtel Laserphysik, WS09/10 26

27 Kurze Lichtimpulse Zeitskalen typischer Prozesse n H 3 Ra 226 U Jahr Marathon Alter der Pyramiden Präkambrium 100 m Lauf Pulsschlag Lebensalter Erdneuzeit cm Schallweg 30 cm Lichtweg Periode der molekularen Bewegung t [s] Licht durchquert ein Atom Seltsame Teilchen (10-24 s) Laserphysik, WS09/10 27

28 Die Wette des Gouverneurs Bet: Do all four hooves of a trotting horse ever simultaneously leave the ground? The "Trotting Horse Controversy Palo Alto, CA 1872 Leland Stanford Edweard Muybridge Laserphysik, WS09/10 28

29 Die Wette des Gouverneurs Laserphysik, WS09/10 29

30 Kurzzeitfotografie Laserphysik, WS09/10 30

31 Historische Entwicklung der Kurzzeitphysik Impulslänge und Lichtquellen t [s] Natürliche Lichtquellen Funkenentladung Ultrafast lasers Laser Jahr Laserphysik, WS09/10 31

32 Ultrakurzpulslaser Ultrafast Ti:sapphire laser Shortest Pulse Duration (femtoseconds) Active mode locking Passive mode locking Extra-cavity pulse compression Colliding pulse mode locking Intra-cavity pulse compression '65 '70 '75 '80 '85 '90 '95 Year Berichte über Attosekunden-Impulse Ein 4.5-fs Impuls Rekord: < 3.0 fsec Laserphysik, WS09/10 32

33 Der kürzeste Impuls? negative Impulslängen? Laserphysik, WS09/10 33

34 Der kürzeste Impuls? Wie kurz kann ein Impuls werden? mm 3 µm 3 nm Pulse Duration (seconds) THz One optical cycle Frequency (Hz) Laserphysik, WS09/10 34

35 Kurze Lichtimpulse Oszillator- Verstärkersystem ultrakurzer Lichtimpulse Puls eines Masterlasers (100 fs Dauer) hat breites Frequenzspektrummpression durch Beugungsgitter und Fokussierung Puls wird zeitlich auf 2 ns gestreckt Verstärkung des Pulses Kompression durch Beugungsgitter und Fokussierung 1250 TW Laserphysik, WS09/10 35

36 Optische Uhren Science 293, 825 (2001) Geplant: Herausforderung: Bau von optischen Uhren mit einer Genauigkeit von Höhendifferenz von 1 cm führt zu messbaren Gangabweichungen durch Gravitationsfeld der Erde Cs-Atomuhr Laserphysik, WS09/10 36

37 Optische Uhren Laserphysik, WS09/10 37

38 Optische Uhren Frequenzmessungen zur Definition von Zeit und Länge Laserphysik, WS09/10 38

39 Spitzenleistung und Impulslänge Kürzester Impuls: t ~ 2, s Höchste Leistung: P max ~ W t ~ s P [W] Ws 10 Ws 100 Ws Verstärkt Güteschaltung E ~ 200 mj 10 6 Modenkopplung 10 3 Spiking Intensität: I max ~ W/cm t [s] Laserphysik, WS09/10 39

40 Höchstleistungen Erzeugung von Petawattimpulsen: Energiedichte: Im Fokus W/cm 2 Strahlungsdruck: Sonnenoberfläche: 6*10 3 W/cm 2 Im Fokus 3*10 11 bar Laserphysik, WS09/10 40

41 Gravitationswellen Luftbild von GEO600 in der Nähe von Hannover Teil des Lasersystems Laserphysik, WS09/10 41

42 Korrektur von Fehlsichtigkeiten (fs-lasik) Laserpuls T = 160 fs E < 1 µj Erzeugen eines Mikrokeratom-Schnitts Cornea Zweiter Mikrokeratomschnitt zur Präparation eines Lentikels Aufklappen des kornealen Lappens und entfernen des Lentikels Schließen des kornealen Lappens 1 mm Präparation eines intrastromalen Lentikels mittels fs-laserpulsen Laserphysik, WS09/10 42

43 Präzise und universelle fs-materialbearbeitung Anwendungsgebiete von Ultrakurzpulslasern Polymer Nickel Hornhaut Zahnschmelz Suprasil Gitter in Quarzglas LZH Laserphysik, WS09/10 43

44 Messtechnik mit fs-impulsen Optische Kohärenztomografie Laserphysik, WS09/10 44

45 Messtechnik mit fs-impulsen Optische Kohärenztomografie Retinakontrolle am Menschen mit OCT Netzhautablösung Laserphysik, WS09/10 45

46 Messtechnik mit fs-impulsen Optische Kohärenztomografie Retinakontrolle am Menschen mit OCT Netzhautablösung Laserphysik, WS09/10 46

47 Messtechnik mit fs-impulsen Ein-Photonen-Absorption Zwei-Photonen-Absorption: Proportional zur Intensität Proportional zur Intensität zum Quadrat Laserphysik, WS09/10 47

48 2-Photonen- Mikroskopie Messtechnik mit fs-impulsen Ein-Photonen-Absorption Zwei-Photonen-Absorption Hohe Tiefenauflösung Laserphysik, WS09/10 48

49 Anwendungsgebiete von Ultrakurzpulslasern Blitzschutz mit Femtosekundenlasern Laserphysik, WS09/10 49

50 THz-Strahlung 47/2002 Splitternackt auf dem Monitor Eine geheimnisvolle Strahlung hält die Physiker in Bann: Allgegenwärtig und doch kaum nachweisbar strahlen die Terahertz- Wellen im Frequenzbereich zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen. Nun sollen sie die Krebsvorsorge verbessern und die Flughäfen sicherer machen. Laserphysik, WS09/10 50