Erzeugung durchstimmbarer Laserstrahlung. Laser. Seminarvortrag von Daniel Englisch

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1 Erzeugung durchstimmbarer Laserstrahlung Seminarvortrag von Daniel Englisch Laser Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 1

2 Motivation - Anwendungsgebiete Wo wird Durchstimmbarkeit genutzt? Laserspektroskopie Schwer zugängliche Wellenlängenbereiche 1 UV IR 3000 Wellenlänge (nm) Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 2

3 Erzeugung durchstimmbarer Laserstrahlung Durchstimmbarkeit bei klassischen Lasern Nichtklassische Systeme Freier Elektronen Laser (FEL) Nichtlineare Methoden Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 3

4 Theoretische Grundlagen - Laser Klassische Laser E > ħω 0 ħω Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 4 c b a Geben Sie ω 0 hier eine Formel ein. λ m = 2L m

5 Relative Verstärkung Theoretische Grundlagen - Laser Wellenlänge jedoch nicht scharf definiert Verbreiterungsmechanismen Natürliche Linienbreite Dopplerverbreiterung Verstärkungsprofil Resonatormoden FSR = c 2nL Frequenz Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 5

6 Relative Verstärkung Möglichkeiten der Durchstimmung 1. Resonator Frequenz Breites Verstärkungsprofil Viele Moden möglich Wellenlänge über Resonator auswählen Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 6

7 Relative Verstärkung Möglichkeiten der Durchstimmung FSR = c 2nL Länge des Resonators ändern Wellenlängenselektives Element einfügen Gitter Weitere Resonatoren (FPIs) Erlaubte Moden Frequenzselektion Frequenz Frequenz Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 7

8 Relative Verstärkung Beispiel - Farbstofflaser Große Moleküle als aktives Medium Viele Rotationsund Vibrationszustände Viele Übergänge möglich Energiedifferenz kleiner als Verbreiterungseffekte (Rhodamin 6G) c b a Wellenlänge Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 8

9 Beispiel - Farbstofflaser Aufbau eines Farbstofflasers Dickes Etalon Farbstoff Dünnes Etalon Doppelbrechendes Medium Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 9

10 Beispiel - Farbstofflaser Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 10

11 Relative Verstärkung Beispiel - Farbstofflaser Großer Bereich kontinuierlicher Durchstimmbarkeit Große Leistungen möglich Sichtbarer Bereich abgedeckt Komplex, instabil Wartungsintensiv Wellenlänge (nm) Anwendungsgebiete Laserspektroskopie im sichtbaren Spektralbereich 1 Physik an 400 speziellen Übergängen 800 Wellenlänge (nm) UV IR Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 11

12 Relative Verstärkung Möglichkeiten der Durchstimmung 2. Verschieben des Verstärkungsprofils ħω 0 Geben b Sie ω 0 hier eine Formel ein. a Frequenz Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 12

13 Beispiel - Diodenlaser pn-übergang in unterschiedlich Dotierten Halbleitern Zunächst kein Übergang möglich Anlegen von Spannung verschiebt die Quasiferminiveaus Übergang wird möglich Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 13

14 Relative Verstärkung Beispiel - Diodenlaser Halbleitermaterialen sind reflektierend und bilden den Resonator Kleiner Resonator Nur wenige longitudinale Moden Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 14 Frequenz

15 Relative Verstärkung Beispiel - Diodenlaser Durchstimmen des Lasers Temperatur oder Strom beeinflussen Bandlücke Übergangsfrequenz ändert sich Frequenz Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 15

16 Relative Verstärkung Beispiel - Diodenlaser ABER: Resonatorlänge ändert sich!! Temperaturänderung verschiebt erlaubte Moden Frequenz Modensprünge Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 16

17 Beispiel - ECDL Erinnerung: Modenverschiebung durch Änderung eines frequenzselektiven Elements Extern Cavity Diode Laser (ECDL) Kombination der bereits erwähnten Techniken Linse Spiegel 1. Ordnung 0. Ordnung Laser Diode Littmann-Anordnung Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 17

18 Relative Verstärkung Beispiel - ECDL Resonatormoden simultan mit Verstärkungsprofil verschoben Frequenz Modensprünge werden verhindert Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 18

19 Beispiel - Diodenlaser Kompakt Einfacher Aufbau, hohe Stabilität Ohne ext. Resonator kleiner Modensprungfreier Bereich Strahldivergenz Geringe Leistung Wellenlänge (µm) Anwendungsgebiete Laserspektroskopie im infraroten Spektralbereich 1 Pumpe für 400 andere Laser und nichtlineare 800 Prozesse Wellenlänge (nm) UV IR Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 19

20 Beispiel - FEL 3. Pumpenergie Freier Elektronen Laser Λ U Laserstrahl e -Strahl Undulator Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 20

21 Beispiel - FEL Phasenbedingung e am Ort z o emmitiert EM-Welle e am Ort z 1 = z o + Λ U emmitiert EM-Welle t e = Λ U v e t c = Λ U c Δt = Λ U 1 v e 1 c Δt = m λ c λ m = Λ U m c v e 1 Λ U Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 21

22 Beispiel - FEL Theoretisch von XRay bis Fernes IR Keine Modensprünge Große Energien möglich Benötigt Elektronenquelle Sehr groß Praktisch nur kleiner Wellenlängenbereich Anwendungsgebiete Laserspektroskopie Im tiefen Wellenlängenbereich Wellenlänge mit hohen (nm) Intensitäten UV IR Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 22

23 Mögichkeiten der Durchstimmung Nichtlineare Prozesse 2 ω 0 Nichtlinearer 2ω 0 Kristall ω 0 Nichtlinearer ω 1 Kristall ω 2 ω 0 = ω 1 + ω Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 23

24 Nichtlineare Techniken - Hintergrund Dielektrische Polarisation P = ε 0 χe P = ε 0 χ 1 E + χ 2 E 2 + χ 3 E 3 + Beispiel: Betrachte EM-Welle der Form: E = E 1 cos ω 1 t k 1 z + E 2 cos ω 2 t k 2 z an der Stelle z = 0 im nichtlinearen Kristall Linearer Term beschreibt Rayleigh-Streuung Betrachte quadratischen Term P (2) = ε 0 χ 2 E 2 z = Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 24

25 Nichtlineare Techniken - Frequenzmischung P 2 = ε 0 χ 2 E 2 z = 0 = ε 0 χ 2 E 1 2 cos 2 ω 1 t + E 2 2 cos 2 (ω 2 t) + 2E 1 E 2 cos ω 1 t cos ω 2 t Über trigonometrische Identitäten = ε 0 χ E E E 1 2 cos 2ω 1 t E 2 2 cos 2ω 2 t + E 1 E 2 cos ω 1 + ω 2 t + cos ω 1 ω 2 t Gleichanteil 2. Harmonische Summenfrequenz Differenzfrequenz Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 25

26 Beispiel - OPO Optisch Parametrischer Oszillator (OPO) Umgekehrter Frequenzverdopplungsprozess Energieerhaltung ω p = ω s + ω i Impulserhaltung k p = k s + k i Phasenanpassung k = n ω ω c n p ω p = n s ω s + n i ω i Pumpe Nichtlinearer Kristall Signal Idler Pumpe Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 26

27 Nichtlineare Techniken - Phasenanpassung n ω 0 = n ω 1 Phasenanpassung über doppelbrechende Medien Veränderung der Phasenanpassung durch Winkeländerung Quasiphasematching (QPM) durch periodic poling Periodisch wechselnde Zonen mit n p ω p < n s ω s + n i ω i bzw. n p ω p > n s ω s + n i ω i Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 27

28 Beispiel - OPO Durchstimmung Zunächst Pumpfrequenz fest ω p = ω s + ω i Änderung der Resonatorlänge und QPM-Bedingung Signal- und Idlerfrequenz ändern sich Feste Signalfrequenz aber Idler durchstimmen Pumpfrequenz durchstimmen Separate Durchstimmung möglich Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 28

29 Beispiel - OPO Robust, einfache Justage Durchstimmbarkeit nur durch Absorption und Pumpfrequenz begrenzt Hohe Ausgangsleistungen Mit anderen nichtlinearen Techniken breiter spektraler Bereich abgedeckt Hohe Pumpleistungen nötig Anwendungsgebiete Laserspektroskopie Als Laserquelle für LIDAR Wellenlänge Systeme (nm) UV IR Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 29

30 Zusammenfassung - Methoden Verschieben des Profils Breites Verstärkungsprofil 1 Undulator OPO Laserstrahl ω 0 ω 1 Nichtlinearer UV 400 Kristall 800 IR 3000 ω 0 = ω 1 + ω 2 ω 2 Veränderbare frequenzselektive Elemente Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 30

31 Vielen Dank! Institute of Applied Physics Nonlinear Optics / Quantum Optics Daniel Englisch 31