Der Helium-Neon-Laser

Transkript

1 25. Juni 2008

2 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb

3 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen 1960 von Ali Javan, William Bennett Jr. und Donald Herriott entwickelt erster CW-Laser (continuous wave: Dauerbetrieb) typische Wellenlängen 632,8 nm (rot), 1152,3 nm und 3392,2 nm

4 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Gasentladung erzeugt angeregte He-Atome He-Atome übertragen Energie auf Ne-Atome Ne-Atome gelangen in Besetzungsinversion stimulierte Emission bewirkt Verstärkung des Lichts Spiegel bilden Resonator

5 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Gasentladungsröhre: He und Ne im Verhältnis 10:1 bei ca. 100 Pa

6 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Emissionslinien: Aufspaltung durch Spin-Bahn-Kopplung

7 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Übergang Wellenlänge λ [nm] Einsteinkoe. A [10 8 s 1 ] Verstärkung [% m 1 ] 3s2 2p1 730, 5 0, , 2 3s2 2p2 640, 1 0, , 3 3s2 2p3 635, 2 0, , 0 3s2 2p4 632, 8 0, , 0 3s2 2p5 629, 4 0, , 9 3s2 2p6 611, 8 0, , 7 3s2 2p7 604, 6 0, , 6 3s2 2p8 593, 9 0, , 5 3s2 2p9 nicht möglich 3s2 2p10 543, 3 0, , 52 2s2 2p1 1523, 1 2s2 2p2 1177, 0 2s2 2p3 1160, 5 2s2 2p4 1152, 6 2s2 2p5 1141, 2 2s2 2p6 1084, 7 2s2 2p7 1062, 3 2s2 2p8 1029, 8 2s2 2p9 nicht möglich 2s2 2p10 886, 5 2s3 2p2 1198, 8 2s3 2p5 1161, 7 2s3 2p7 1080, 1

8 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Resonator: normalerweise ein Spiegel hochreektierend, der andere gering transmittierend (Output Coupler genannt) planparalleler Resonator: zwei ebene Spiegel hemisphärischer Resonator: ein ebener und ein sphärischer Spiegel sphärischer Resonator: zwei sphärische Spiegel Stabilitätskriterium: 0 g 1 g 2 1 mit g i = 1 L R i (1) für R 1 = : 0 L R 2 1 (2)

9 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Resonanzbedingung für longitudinale Moden: L = n λ n 2 = n c 2 ν n (3)

10 inhomogenes Verstärkungsprol: ν = c 2 L Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen 300 MHz (4)

11 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Gauÿ'sche Fundamentalmode: einfachste transversale Mode, die sich im Resonator einstellen kann Verlauf durch Position und Krümmung der Spiegel festgelegt Rayleigh-Länge z R : Stelle mit minimalem Krümmungsradius der Wellenfront Taillenbreite w 0 : Hälfte des minimalen Strahldurchmessers z R = π w 0 2 λ (5)

12 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen

13 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen ( ) 2 z w(z) = w (6) z R R(z) = z + z 2 R z (7)

14 Der erste He-Ne-Laser Funktionsweise Gauÿ'sche Fundamentalmode Eigenschaften und Anwendungen Vorteile: groÿe Kohärenzlänge geringe Divergenz hohe Lebensdauer Nachteil: niedrige Leistung Anwendungen: Interferometrie Holograe

15 Inhalt

16

17 Es stehen vier verschiedene Spiegel zur Auswahl: ebene Spiegel hochreektierend: Plane HR mit 2, 4 % Transmission: Plane 2.4 sphärische Spiegel (hochreektierend) mit 1000 mm Krümmungsradius: VIS 1000 mit 700 mm Krümmungsradius: VIS 700

18 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb schon kleine Verluste im Resonator bedeuten groÿe Verluste an Leistung besonders empndlich gegen Verschmutzung sind die Brewsterfenster Betrieb mit anderen Wellenlängen nur im gut gereinigten Zustand möglich

19 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb Röhre sollte möglichst nah am ebenen Spiegel positioniert werden:

20 Resonatorlänge sollte R Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb oder fast R betragen:

21 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb

22 Linienspektrum der Gasentladung: Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb λ

23 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb Littrow-Prisma: rückseitig verspiegeltes Prisma, Dispersion bewirkt Selektion

24 Inhalt Gründliche Reinigung Ein uss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb

25 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb zwei Laserlinien gleichzeitig im sphärischen Resonator: λ

26 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb doppelbrechender Kristall: wellenlängenabhängige Drehung der Polarisationsrichtung, Unterdrückung anderer Linien durch Reexionsverluste

27 Inhalt Gründliche Reinigung Ein uss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb

28 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb überlagerte Spektren der verschiedenen Laserlinien: λ

29 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb λ

30 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb Etalon: Glaskörper mit planparallelen Oberächen teilweise Reexion zusätzliche Resonanzbedingung im Resonator schwingungsfähige Wellenlänge (Mode) abhängig vom Winkel zwischen Etalon und Strahl

31 Gründliche Reinigung Einuss der Resonatorgeometrie Betrieb mit anderen Wellenlängen Single-Mode-Betrieb Ausschnitt aus dem inhomogenen Verstärkungsprol: In d e x n

32 Inhalt I Wie man den Klassiker unter den Lasern konstruiert. I Wie man ihn dazu bringt, mit anderen Farben zu lasern. I Wie man einzelne Moden auswählt, um die Wellenlänge einzugrenzen und die Kohärenzlänge zu vergröÿern.

33 Quellen: Dr. W. Luhs Experiment 06 - Helium Neon Laser, MEOS Wikipedia-Artikel Laser, Helium-Neon-Laser