Weber/Herziger LASER. Grundlagen und Anwendungen. Fachbereich S Hochschule Darmstad«Hochschulstraßa 2. 1J2QOI Physik Verlag

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1 Weber/Herziger LASER Grundlagen und Anwendungen Fachbereich S Hochschule Darmstad«Hochschulstraßa 2 1J2QOI Physik Verlag

2 Inhaltsverzeichnis 1. licht und Atome Welleneigenschaften des Lichtes Licht und Laser-Strahlung im Spektrum der elektromagnetischen Wellen Entstehung elektromagnetischer Wellen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Interferenz Beugung Kohärenz von Wellenfeldern Messung der zeitlichen Kohärenz Messung der räumlichen Kohärenz Kohärente Lichtquellen Statistische Eigenschaften des Lichtes Grenzen des Wellenbildes Phasenzelle und Unschärferelation Hohlraumstrahlung Gültigkeitsbereich und Bedeutung von Wellen- und Korpuskeldarstellung Photonen-Statistik Eigenschaften der Atome und Moleküle Atommodell der Quantenmechanik Moleküle Wechselwirkung von Atomen und Licht Anregung eines Atoms durch Licht Absorption und Emission von Licht Absorption Spontane Emission Induzierte Emission Energiebilanz für die Lichtwelle Atome im thermischen Gleichgewicht Optische Resonatoren Resonatoren in der Hochfrequenztechnik Geometrie optischer Resonatoren Verluste optischer Resonatoren Optische Resonatoren als Speicher für Licht Schwingungsmoden in optischen Resonatoren Methoden zur Ermittlung der Feldverteilung im Resonator Feldverteilung in optischen Resonatoren 56

3 VIII Inhaltsverzeichnis 2.6. Konfokale Resonatoren Allgemeine Resonatoren Planparallele Resonatoren Konfokale Resonatoren Überkonfokale Resonatoren Beugungsverluste optischer Resonatoren Frequenzspektrum optischer Resonatoren Resonanz -Kennlinie Anregung diskreter Moden optischer Resonatoren Das Laser-Prinzip Realisierung eines lichtverstärkenden Mediums Das Drei-Niveau-System Das Vier-Niveau-System Weitere Anregungsmechanismen Einwegverstärkung von Licht Verstärkung mit Rückkopplung Laser-Oszillatoren in Selbsterregung Modenspektrum von Laser-Oszillatoren Bandbreite von Laser-Oszillatoren Photonen-Statistik des Laser-Oszillators Laser-Oszillatoren Gas-Laser Helium-Neon-Laser Ionen-Laser Molekül-Laser Gepulste Gas-Laser Farbstoff-Laser Termschema und Spektrum der Farbstoff-Moleküle Verstärkungseigenschaften der Farbstoff-Lösung Praktischer Aufbau eines Farbstoff-Lasers Abstimmbarkeit des Farbstoff-Lasers Halbleiter-Laser Festkörper-Laser Allgemeine Eigenschaften 123

4 Inhaltsverzeichnis IX Aktives Medium Optischer Resonator Anregung der Festkörper-Laser Der Rubin-Laser Laser-Kristall und Energieniveau-Schema Anregungsvorgang Das Emissionsverhalten Spiking Der Neodym-Laser Erzeugung kurzer Lichtimpulse Pulsbetrieb des Lasers Gütemodulation (Q-Switch) Prinzip des Verfahrens Optische Schalter für Riesenimpuls-Laser Mechanische Schalter Elektrooptische Schalter Passive Schalter Gütemodulation durch einen passiven Schalter Grenzen der Gütemodulation Moden-Kopplung Prinzip des Verfahrens Realisierungsmöglichkeiten der Moden-Kopplung Zusammenfassung Nichtlineare Optik Lineare und nichtlineare Optik Grundlagen der Lichtausbreitung in transparenten Medien Lichtausbreitung in isotropen Medien Dispersion Lichtausbreitung in anisotropen Medien Erzeugung von Oberwellen im optischen Spektralbereich Das Verhalten der elektrischen Polarisation bei hohen Feldstärken Die Abstrahlung der nichtlinearen Polarisation Anpassung der Brechungsindizes (Index Matching) Erzeugung höherer Oberwellen Parametrische Laser-Systeme Parametrische Verstärker Parametrische Oszillatoren 177

5 X Inhaltsverzeichnis 6.5. Der Raman-Effekt Spontane Raman-Streuung Induzierte Raman-Streuung Zusammenfassung Laser-Anwendungen Meßtechnik Puls-Echo-Verfahren zur Messung großer Entfernungen Interferometer- Verfahren Justier- und Leitstrahl verfahren Geschwindigkeitsmessung Akustischer Doppler-Effekt Optischer Doppler-Effekt Optisches Doppler-Radar Messung von Strömungsgeschwindigkeiten Holografie Die Bedeutung der Phase für die Wiedergabe Entstehung von Hologrammen Eigenschaften von Hologrammen Anwendungen der Holografie Materialbearbeitung Leistungsdichte von Laser-Licht Absorption von Laser-Licht Vorgänge bei der Materialbearbeitung Plasmaforschung Plasmaeigenschaften Plasmatemperatur Ionisierungsgrad Laserinduzierte Plasmen Entstehung eines Laser-Plasmas Beschleunigung der Elektronen im Strahlungsfeld und Aufheizen des Plasmas Kernfusion durch Laser Energieliefernde Kernreaktionen Fusionsexperimente mit Laser Medizinische und biologische Anwendungen Netzhautbehandlung Geschwüre und Krebs Zahnbehandlung Markierung von Geweben Chirurgie 224

6 Inhaltsverzeichnis XI 7.6. Nachrichtenübertragung und Datenspeicherung Prinzip der Nachrichtenübertragung Nachrichtenübertragung durch Laser Datenspeicherung Spezielle optische Elemente der Laser-Physik Laser-Spiegel Reflexion und Absorption Optische Qualität der Spiegel Metall-Spiegel Dielektrische Spiegel Polarisationselemente Polarisation des Lichtes Brewster-Platten Linear-Polarisatoren Zirkular-Polarisatoren Elektrooptische Elemente Kerr-Zelle Pockels-Zelle 242 Literaturnachweis 243 Stichwortverzeichnis 249