Neodym-Laser. Björn Gillich. Laserseminar Lehrstuhl Wolfgang Zinth
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- Viktor Roth
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1 Neodym-Laser Laserseminar Lehrstuhl Wolfgang Zinth
2 National Ignition Facility National Ignition Facility - stärkste Laser der Welt zur Erforschung von Kernfusion - Neodym-Glas-Laser - Fokussierte Energien im 1-2 MJ Bereich - Fertigstellung: Mai 2009
3 National Ignition Facility
4 National Ignition Facility
5 National Ignition Facility
6 National Ignition Facility
7 Gliederung Kurzwiederholung: Laser - 3-Niveau-Laser und 4-Niveau-Laser Neodym als Lasermedium Wirtsmaterialien - YAG, YVO, YLF, Glas Aufbau von Lasern und Pumpmöglichkeiten Güteschaltung
8 Kurzwiederholung: Laser 3-Niveau-Laser Abb.1 3-Niveau-Laser 4-Niveau-Laser Abb.2 4-Niveau-Laser
9 Lasermaterial Neodym-Ionen Neodym Abb.3 Periodensystem
10 Lasermaterial Neodym-Ionen Elektronenkonfiguration von Nd: [Xe] 4f³ 6s² Abb.4 Energieniveaus Nd3+ Ionen im Festkörper
11 Lasermaterial Neodym-Ionen Warum Neodym? - Wirtsmaterialien können leicht mit Neodym dotiert werden - Neodym kann in vielen Wirtsgittern als Lasermedium verwendet werden Abb.5 Energieniveauschema von Nd:YAG
12 Lasermaterial Neodym-Ionen Abb.6 Absorptionsspektrum Nd:YAG Abb.7 Emissionsspektrum Nd:YAG
13 Wirtsmaterialien - müssen eine hohe optische Qualität besitzen - hohe Wärmeleitfähigkeit ist wichtig - Fremdion können leicht eingebaut werden, wenn sie ein chemisch ähnliches Element ersetzen - Neodym-Ionen werden mit einer Konzentration von wenigen Prozenten eingebaut
14 Wirtsmaterialien Tab. 1 Ausgewählte Wirtsmaterialien
15 Wirtsmaterial: YAG - YAG ist ein Y3Al5O12 Kristall - Nd:YAG is der Allrounder der Nd Laser - Nd Konzentration liegt bei maximal 2 % Abb.8 Nd:YAG Stäbe
16 Wirtsmaterial: YAG Anwendungen: - Schweißen - Gravieren - Bohren - Medizin - Pumpen von Lasern - Strukturanalyse Abb. 9 Gravierter Glasquader
17 Wirtsmaterial: YVO YVO ist ein YVO4 Kristall Abb.10 Nd:YVO Kristalle Nd:YVO besitzt eine breitbandige Absorption bei 808 nm Absorptionsquerschnitt etwa 5fach höher im Vergleich zu YAG unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Wellenlänge der Pumpdiode
18 Wirtsmaterial: YVO Absorptionsspektrum von YVO und YAG Abb. 11 Absorptionsspektrum von YVO(1%) und YAG(1,2%)
19 Wirtsmaterial: YVO (Anwendung) Laserpointer: durch den hohen Absorptionsquerschnitt können kleine Bauteile verwendet werden Abb.12 Laserpointer Lightshow: Mit Frequenzverdoppelung (532nm) und Frequenzverdreifachung (355nm) bekommt man grünes bzw. blaus Licht Abb.13 Lightshow
20 Wirtsmaterial: YLF YLF ist ein LiYF4 Kristall - emittiert 1047 nm, 1053 nm, 1313 nm und 1321 nm: - polarisationserhaltender Kristall - weil dn/dt klein ist, sind thermische Linseneffekte geringer ausgeprägt Durch hohe Pulsenergie werden sie als Pumplaser für Ti:Saphir Laser eingesetzt
21 Wirtsmaterial: Glas (SiO2) Wichtige Unterschiede: - der Neodymanteil ist deutlich höher - größere Abmessungen des Lasermaterials es kann mehr Energie gespeichert werden - Wärmeleitfähigkeit ist sehr gering - wegen der amorphen Struktur ist die Linienbreite 50 mal größer die Pulslänge kann auf wenige ps reduziert werden
22 Wirtsmaterial: Glas (SiO2) Typischer Aufbau eines Nd:Glaslasers Abb.14 Aufbau eines Nd:Glaslasers
23 Bauweisen und Pumpverfahren Pumpverfahren Blitzlampengepumt Lasergepumpt - es wird mit weißem Licht gepumpt - es wird eine bestimmte Wellenlänge gepumpt
24 Pumpen mit Blitzlampen Abb.15 Aufbau eines Blitzlampen gepumpten Lasers - Hochdruck-Xe-Lampe - Wirkungsgrad ist gering Abb.16 Emissionsspektrum einer Xe-Lampe
25 Pumpen mit Diodenlaser nm Diodenlaser - Wirkungsgrad ist hoch Abb.17 Z-Aufbau eines Diodengepumpten Lasers
26 Güteschaltung - Erzeugung von kurzen Lichtimpulsen mit stark erhöhter Intensität - Lichtpulse von wenigen Nanosekunden sind möglich Abb. 18 Laseroszillation mit und ohne Güteschaltung
27 Güteschaltung Man unterscheidet zwischen aktiver und passiver Güteschaltung aktive Güteschaltung: - Pockels-Zelle - Akustooptischer Modulator - Rotierendes Prisma passive Güteschaltung: meist sättigbare Absorber der die Wellenlänge des Lasers absorbiert
28 Güteschaltung - Resonatorverluste maximal - Inversion steigt an Abb.19 Güteschaltung (Verlust ist maximal)
29 Güteschaltung - Resonatorverluste werden minimiert - Laserpuls wird emittiert Abb.20 Güteschaltung (Verlust ist minimal)
30 Zusammenfassung - Neodymlaser sind 4-Niveau-Laser - Kristalle und Glas können leicht mit Neodym als Fremdion dotiert werden - als gängige Wirtsmedien zählen: YAG, YVO, YLF und Glas - Pumpverfahren: Blitzlichtpumpen und Laserpumpen - Eine Güteschaltung dient zur Erzeugung von Laserpulsen
31 Quellen Literatur: Dieter Meschede: Optik, Licht und Laser, ISBN Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist: Laser, ISBN Marc Eichhorn: Laserphysik, ISBN J. Eichler, H.J. Eichler: Laser Bauformen, Strahlführung, Anwendung, ISBN Andere Quellen: ( ) ( )
32 Quellen Quellen der Abbildungen: s/pages/ndyv04.aspx ( ) ( ) ltae6ni_ucw/s1600/img_1069.jpg ( ) ( ) ( ) Yoichi Sato and Takunori Taira:Variation of the stimulated emission cross section in Nd:YAG caused by the structural changes of Russell-Saunders manifolds ( ) Rolf Neuendorf: Grundlagen der Laser-Operation, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
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