Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
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- Ursula Schenck
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1 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Licht: a) Elektromagnetische Welle E = E 0 sin(-kx) k = 2 p/l E = E 0 sin(t) = 2 p n = 2 p/t c = l n c = Lichtgeschwindigkeit = 2, m/s l = Wellenlänge (rot: 800 nm, blau 400 nm) n = Frequenz ( ~ Hz) b) Photonen (Korpuskularstrahlen) Energie pro Photon: E = h n h = Plancksches Wirkungsquantum Verstärkung Signal Signal Zeit Stimulierte Emission von Strahlung Absorption Übergänge pro Zeit dn 12 = N 1 u(n) B 12 dt klein Spontane Emission dn 21 spon = N 2 A 21 dt Stimulierte Emission groß dn 21 ind = N 2 u(n) B 21 dt N i = Besetzung des Niveaus i u(n) = Strahlungsfeld 1
2 Besetzungsinversion Drei-Niveau-Laser Vier-Niveau-Laser 2
3 Stimulierte Emission von Strahlung Absorption Übergänge pro Zeit dn 12 = N 1 u(n) B 12 dt Spontane Emission Stimulierte Emission dn spon 21 = N 2 A 21 dt klein groß dn ind 21 = N 2 u(n) B 21 dt N i = Besetzung des Niveaus i u(n) = Strahlungsfeld Einstein-Koeffizienten: n 1/l 3 Großes u(n) notwendig Optischer Resonator Resonator a) Energiezufuhr optischer Verstärker b) spontane Emission c) Licht in Resonatormode d) Verstärkung durch stimulierte Emission e) Laserstrahl im Resonator R = 100% R = 98 % ausgekoppelter Laserstrahl 3
4 Besetzungsinversion Laseremission Laserschwelle Pumpintensität Einteilung der Lasertypen Art Festkörperlaser Gaslaser Flüssigkeitslaser Diodenlaser Anregung Licht Gasentladung Licht elektrischer Strom 4
5 Festkörperlaser: Rubin-Laser Rubin-Stab: 0,05 % Cr 2 O 3 in hochreinem Al 2 O 3 694,3 nm nm nm geb. 11. Juli 1927 Laser realisiert: 16. Mai 1960 gest. 5. Mai 2007 Theodore Harold Maiman 5
6 Weitere Festkörperlaser Nd:YAG 1,064 µm Neodym Yttrium Aluminium Granat Lasermedium Wirtskristall Holmium:YAG 2,1 µm Erbium:YAG 2,9 µm Gas-Laser He-Ne-Laser 632,8 nm, 543 nm CO 2 -Laser 10,6 µm, 9,6 µm Ar + -Laser 488 nm, 514,5 nm HF-Laser 1,3 µm Iod-Laser 1,315 µm Excimer-Laser nm 6
7 He-Ne-Laser Ar + -Laser 7
8 CO 2 -Laser Excimer -Laser Gas XeF N 2 XeCl KrF KrCl ArF F 2 Wellenlänge l [nm] Energie [ev] 3,53 3,68 4,03 5,00 5,59 6,43 7,90 Molekül H 3 C-CH 3 H-C 2 H 5 H-CH 2 H-OCH 3 H-OH E Dis [ev] 3,814 4,249 4,508 4,560 5,161 8
9 Ecximer-Laser Flüssigkeitslaser Farbstoff-Laser (engl. Dye-Laser) Lasermedium sind in Flüssigkeit gelöste Farbstoffe 9
10 Farbstoffe Freier Elektron-Laser (FEL) 10
11 Lichtemmision Diodenlaser + p n - Strom Diodenlaser 11
12 Diodenlaser Diodenlaser 12
13 Optisch Parametrischer Oszillator Nichtlinearer Kristall Signalwelle Idlerwelle n 1 n 2 n 3 Energie-Erhaltung: h n 1 = h n 2 + h n 3 Impuls-Erhaltung: p 1 = p 2 + p 3 Durch Drehen des nichtlinearen Kristalls kann das Verhältnis n 2 /n 3 abgestimmt werden Frequenzverdopplung n 2 n 1 Nichtlinearer Kristall n 2 Aus Energie-Erhaltung folgt: n 1 = 2 n 2 Da c = l n gilt, erhält man: l 1 = ½ l 2 13
14 14 Frequenzverdopplung 2 Laser Laser Emission E E E = Wie funktioniert Frequenzverdopplung? t sin E E 0 Laser = t 2 cos E t sin E E Laser = = Laser Crystal Doubling Crystal Laser Crystal Combined Crystal Doubling Crystal
15 Frequenzverdopplung Welche Kristalle verwendet man? Worin unterscheidet sich Laserlicht von Licht einer konventionellen Lichtquelle? Es sind im wesentlichen drei Unterschiede: 1. Monochromatisches Licht (d.h. nur eine Wellenlänge bzw. Farbe) 2. Kohärenz (das Licht ist fähig, Interferenz zu zeigen) 3. Hohe optische Strahlqualität (kleiner Divergenzwinkel, kleiner Strahlquerschnitt) 15
16 Monochromasie Eine Glühlampe ist eigentlich eine Heizung, die ein bisschen Licht emittiert! Das Spektrum, das sie emittiert hat eine breite Wellenlängenverteilung Ein Laser emittiert im allgemeinen nur eine Wellenlänge (Farbe) Luftballon- Experiment Laser Kohärenz Es existiert eine feste Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Teilstrahlen. Nicht kohärent kohärent Photonen Konventionelle Lichtquelle Laser 16
17 Interferenz Optische Strahlqualität Glühlampe: 40 Watt Lichtleistung 10 Watt wird in alle Raumrichtungen gleichmäßig abgestrahlt: Strahlstärke: 0,8 W/sr Ar + -Laser: 10 Watt, Strahldurchmesser 1,7 mm, Divergenzwinkel: 0,5 mrad Strahlstärke: W/sr Mit Laserstrahlung erreicht man Leistungsdichten, die um viele Größenordnungen über den Werten liegen, die mit konventionellen Lichtquellen möglich sind. Neue Arten von Laserlicht-Gewebe-Wechselwirkung 17
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