Laser. Von Prof. Dr. sc. nat. Fritz Kurt Kneubühl und PD Dr. sc. nat. Markus Werner Sigrist Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

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1 Laser Von Prof. Dr. sc. nat. Fritz Kurt Kneubühl und PD Dr. sc. nat. Markus Werner Sigrist Eidgenössische Technische Hochschule Zürich 4., durchgesehene Auflage Mit zahlreichen Figuren und Tabellen 83 B. G. Teubner Stuttgart 1995

2 Prof. Dr. sc. nat. Fritz Kurt Kneubühl Geboren 1931 in Zürich. Studium der Physik an der ETH Zürich; Diplom 1955 bei G. Busch und K. A. Müller sowie Promotion 1959 bei H. H. GÜnthard. Anschließend Ramsey Memorial Fellow, University College London und University of Southampton, England Graefflin Fellow, The Johns Hopkins University, Baltimore, USA. Ab 1961 Assistent bei G. Busch und W. Känzig, ETH Zürich Habilitation, 1966 Assistenz-Professor, 190 a. o. Professor, 192 o. Professor an der ETH Zürich Vorsitzender Quantum Electronics Division, European Physical Society. 196 permanentes Mitglied The Johns Hopkins Society of Scholars, Baltimore, USA, Vorsteher Physik-Departement, Vorsteher Institut für Quantenelektronik, 1986 Vorsteher Laboratorium für Infrarotphysik, ETH Zürich ausw. Mitglied Akademie der Wissenschaften, Berlin. Arbeitsgebiete: Quantenelektronik und Infrarotphysik, insbesondere Gaslaser, Spektroskopie der kondensierten Materie, Solar- und Astrophysik, Atmosphärenphysik, Bauphysik. Privatdozent Dr. sc. nat. Markus Werner Sigrist Geboren 1948 in IIlnau, Kanton Zürich. Studium der Physik an der ETH Zürich; Diplom 192 bei F. Heinrich und Promotion 19 bei F. K. Kneubühl. 198 Forschungsaufenthalt University of California, Berkeley, USA, bei Y. R. Shen und Y. T. Lee. Ab 1980 Oberassistent bei F. K. Kneubühl, 1986 Habilitation, seit 198 wissenschaftlicher Adjunkt bis 1990 Vorstandsmitglied der Quantum Electronics Division, European Physical Society und Herausgeber "Quantum Electronics Division Newsletter" Gastprofessor und seit 1994 Adjunct Professor Rice University, Houston, USA. Arbeitsgebiete: Laser, Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Materie, insbesondere Laser-photoakustische Spektroskopie der Atmosphäre und von Flüssigkeiten. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Kneubühl, Fritz Kurt: Laser: mit zahlreichen Tabellen / von Fritz Kurt Kneubühl und Markus Werner Sigrist. - 4., durchges. Aufl. - Stuttgart : Teubner, 1995 (Teubner-Studienbücher : Physik) ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Sigrist, Markus Werner: Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1989 Gesamtherstellung : Druckhaus Beltz, Hemsbach/Bergstr. Umschlaggestaltung: M. Koch, Reutlingen

3 VORWORT Seit etlichen Jahren halten wir an der ETH Zürich gut besuchte einführende Laser-Vorlesungen für Physik-Studenten ab 5. Semester und Doktoranden. Eine derartige Vorlesung wird an der ETH Zürich für Physiker ab 1990 ob 1 i gator i sch. Da zudem Laser und ihre Anwendungen in der Technik immer bedeutsamer werden, gibt es Laser-Vorlesungen auch für Ingenieur-Studenten. Unter diesem Gesichtspunkt kamen wir zum Schluss, unseren immer zahlreicheren Studenten anstelle unserer eigenen vervielfältigten Vorlesungsnotizen ein Laser-Buch zu empfehlen. Wir fanden jedoch, wer hat anderes erwartet, dass die vorliegenden, meist älteren deutschsprachigen Laser-Lehrbücher unseren Wünschen nicht voll entsprechen. Nachdem von verschiedener Seite Interesse bekundet wurde, unsere Vorlesungsnotizen nach Ueberarbeitung als Buch zu veröffentlichen, haben wir uns nach verständlichem Zögern darauf eingelassen. Massgebend dafür war auch die Bereitschaft von Robert Kesselring. dipl. Phys. EIH mitzuwirken und uns mit Rat, Tat und Kritik beizustehen. Auch letzteres war uns wichtig, da er die Vor- und Nachteile unseres Unterrichts als Assistent und ehemaliger Hörer kennt. Ihm sind wir zu grossem Dank verpflichtet, ebenso unseren vielen Fachkollegen in Ost und West, welche uns seit über zwei Jahrzehnten bei jedem Treffen in die Geheimnisse der Laser einweihen. Ein Resultat ist dieses Buch. Wir hoffen, die Fachkollegen, vor allem aber auch die Studenten, heissen es willkommen. Das vorliegende Werk ist gedacht als Lehr- und Sachbuch für Physiker, Ingenieure und Naturwissenschafter an Hochschulen und in der Industrie. Um diesem Zweck zu dienen, berücksichtigt es im ersten Teil grundlegende, eher theoretische, im zweiten mehr experimentelle Aspekte. In dieser Hinsicht haben wir beim Schreiben die Themen gemäss unseren Veranlagungen und Erfahrungen aufgeteilt. Um die Einheit des Buches trotz dieser Aufteilung zu wahren, haben wir es fast jeden Tag diskutiert.

4 IV Die Entwicklung von Theorie und Experiment ist im Bereich der Laser weit fortgeschritten. Kennzeichnend dafür ist, dass Laser-Theoretiker und -Praktiker den Kontakt verlieren. Wir haben uns daher beflissen, in keines der Extreme abzugleiten und die neuesten Entwicklungen zu berücksichtigen. Leider herrscht in der deutschsprachigen Fachwelt keine Einigkeit über die Schreibweise vieler, ursprünglich englischer Fachausdrücke. Als Schweizer haben wir versucht, einen neutralen Pfad zwischen Labor und Duden zu finden. Vom Leser dieses Buches erwarten wir nur Kenntnisse in Elektrizität und Magnet ismus, elektromagnet ischen We llen, etwas Quantenmechanik, Atombau und Festkörperphysik. Detaillierte wellenmechanische und quantenmechan ische Berechnungen haben wi r vermieden. Auch waren wi r bestrebt, alle physikalischen Grössen, Formeln und Effekte durch Daten, Beispiele, Tabellen und Figuren dem Leser näher zu bringen. Um Verwirrung zu vermeiden, verwenden wir ausschl iessl ich SI-Einheiten. Zur weiteren Information des Lesers zitieren wir am Ende jedes Kapitels historische Publikationen, umfassende Artikel und Spezialbücher, abgesehen vom umfangreichen Fachbuch-Verzeichnis im Anhang. In der vorl iegenden 4. Aufl age wurden die weiteren bekannt gewordenen Druckfehler beseitigt. Die Reinschrift dieses Buches stammt von Frau D. Anliker, die Illustration zur Hauptsache von Frau G. Kägi. Wir sind beiden zu grossem Dank verpflichtet für ihren Einsatz, der dieses Buch erst möglich gemacht hat. Weitere Unterstützung verdanken wir den Herren A. Kälin, H.J. Rohr, K. Seeliger, J.-P. Stucki und A. Wirth. Dieses Werk widmen wir unseren Familien. Sie mögen entscheiden, ob sich unsere vermehrte Abwesenheit in letzter Zeit gelohnt hat. Zürich, im Januar 1995 F.K. Kneubühl und M.W. Sigrist

5 INHALT A B EINLEITUNG ALLGEMEINE GRUNDLAGEN Elektromagnetische Strahlung Elektromagnetische Wellen und Photonen Kohärenz Photonen-Statistik Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit atomaren Systemen Das Strahlungsfeld Zweiniveaux-Systeme Emission und Absorption elektromagnetischer Strahlung Bilanz der Besetzungsdichten und Photonen Prinzip der Laser Voraussetzungen für Strahlungsverstärker Schwellenbedingung für Laseroszillation Erzeugung der Besetzungsinversion Dynamik eines Zweiniveaux-Lasers Spektrall inien Klassisches Modell der homogenen Linienverbreiterung Natürliche Linienbreite Verbreiterung durch strahlungsfreie Uebergänge Druckverbreiterung Doppler-Verbreiterung Kombinierte Verbreiterungen Wirkungen starker Laserstrahlung C LASER-RESONATOREN UND -WELLENLEITER Spiegel-Resonatoren Strahlenoptik Stabilitätskriterien für Spiegel-Resonatoren Prinzipien der skalaren Feldtheorie von Resonatoren Fabry-Perot-Resonator Konfokaler Resonator Allgemeine stabile Resonatoren mit sphärischen Spiegeln Wellen leiter Mikrowellen-Hohlleiter Ueberdimensionierte Hohlleiter Dielektrische Wellenleiter und optische Fasern Periodische Laserstrukturen Typen und Charakteristiken Wellengleichung des "distributed feedback" Matrix-Theorie Theorie der gekoppelten Wellen Strukturen mit Lücke Helix-Laserstrukturen "Grazing incidence" Laser

6 VI Moden-Selektion Transversale Modenselektion Longitudinale Modenselektion D LASERPULSE Q-switch Prinzip Modell Realisierung Ultrakurze Laserpulse Prinzip der Modenkopplung Methoden der Modenkopplung Kompression kurzer Laserpulse Pulsierende Instabilitäten und Chaos 232 E LASERTYPEN 12 Gasl aser 12.1 Helium-Neon-Laser 12.2 Kupfer- und Golddampflaser 12.3 Argonionenlaser 12.4 Exc imer 1 aser 12.5 N2-Laser 12.6 C02-Laser 12. CO-Laser 12.8 Ferninfrarot- und Submillimeterwellen-Gaslaser F arbstoffl aser Halbleiterlaser inklusive Bleisalz-Diodenlaser 15 Festkörperlaser 15.1 Rubinlaser 15.2 Neodymlaser 15.3 Neuartige abstimmbare Festkörperlaser 15.4 Farbzentrenlaser 16 Chemische Laser 16.1 HF-Laser 16.2 Weitere chemische Laser 1 "Free-electron" Laser ANHANG A 1 Physikalische Konstanten A 2 Zehnerpotenzen und Logarithmen A 3 Elektromagnetisches Spektrum A 4 Laser-Literatur SACHVERZE I CHNI S