Laserphysik. Physikalische Grundlagen des Laserlichts und seine Wechselwirkung mit Materie von Prof. Dr. Hans-Jörg Kuli. Oldenbourg Verlag München

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1 Laserphysik Physikalische Grundlagen des Laserlichts und seine Wechselwirkung mit Materie von Prof. Dr. Hans-Jörg Kuli Oldenbourg Verlag München

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort V 1 Grundprinzipien des Lasers Licht im Hohlraum Atome im Laserfeld Ratengleichungen Lichtverstärkung Lichterzeugung mit Lasern 15 Aufgaben 19 2 Grundgleichungen der klassischen Elektrodynamik Mikroskopische Maxwell-Gleichungen Wellengleichung und Potentiale Makroskopische Maxwell-Gleichungen Lorentz-Kraft Feldenergie und Feldimpuls 32 Aufgaben ^ 36 3 Wellen im Medium Dielektrizitätsfunktion Komplexe Darstellung der Felder* Ebene Wellen im homogenen Medium Polarisationsvektoren Wellenenergie 50 Aufgaben 54 4 Laserpulse Fourier-Transformation* Fourier-Darstellung von Laserpulsen 60

3 X Inhaltsverzeichnis 4.3 Randwertprobleme* Envelope und Chirp Envelopengleichung Gauß-Pulse Vorläufer* Tunneln von Laserpulsen 77 Aufgaben 79 5 Lichtstrahlen und Resonatormoden Geometrische Optik Paraxiale Strahlen Laserresonatoren Gauß-Strahlen Paraxiale Wellengleichung 103 Aufgaben Inhomogene Medien Eben geschichtete Medien WKB-Näherung* Stokes-Gleichung* Resonanzabsorption Fresnel-Formeln Aufgaben Klassisches Lorentz-Modell Polarisierbarkeit Dispersion Anregung des ungedämpften Oszillators Anregung des gedämpften Oszillators Dipolstrahlung Lichtstreuung Strahlungsdämpfung Druckverbreiterung 168

4 Inhaltsverzeichnis XI 7.9 Doppier-Verbreiterung 171 Aufgaben Hamilton-Mechanik elektrischer Ladungen Hamilton-Prinzip Bewegungsgleichungen Teilchenbewegung in einer elektromagnetischen Welle* Oszillation um das Schwingungszentrum Drift des Schwingungszentrums Grundlagen der Quantenmechanik Grundpostulate der Quantenmechanik* Zeitentwicklung von Quantensystemen Ortsdarstellung und Wellenmechanik Vertauschungsrelationen Schrödinger- und Heisenberg-Bild Wechselwirkungsbild Ehrenfest-Theorem Semiklassische Licht-Materie-Wechselwirkung Quantensysteme im klassischen Strahlungsfeld Potentiale in der Quantenmechanik Impuls- und Energiesatz* Dipolnäherung Volkov-Zustände Kramers-Henneberger-System 223 Aufgaben Quantenmechanisches Lorentz-Modell Harmonischer Oszillator Stationäre Zustände Klassisches mikrokanonisches Ensemble Kohärente Zustände Verschiebungsoperator 241

5 XII Inhaltsverzeichnis 11.6 Angeregter harmonischer Oszillator Einsteinsche Ratengleichungen des harmonischen Oszillators 248 Aufgaben Schwache Anregung von Atomen im Laserfeld Zeitabhängige Störungstheorie Monochromatische Störung Kramers-Heisenberg Streuformel Polarisierbarkeit und Dispersion Rayleigh-Streuung Raman-Streuung Übergänge im Strahlungsfeld einer Mode Übergänge im Strahlungsfeld mit kontinuierlichem Spektrum Übergänge im Strahlungsfeld mit diskretem Spektrum* Einstein-Koeffizienten 276 Aufgaben Zweiniveausysteme Optische Zweiniveausysteme Rabi-Oszillationen Resonanzfluoreszenz Bloch-Vektor Optisches Bloch-Modell T Statistische Ensembles Bloch-Gleichungen mit Dämpfung Freier Induktionszerfall und Photon-Echo Statistischer Operator Dichtematrix-Gleichungen Populationsmatrix Ensemble mit Phasenrelaxation Ensemble mit Anregungsprozessen 324 Aufgaben 326

6 Inhaltsverzeichnis XIII 15 Semiklassische Lasertheorie Quasistatisches Gleichgewicht Sättigung und Leistungsverbreiterung Normalmodenentwicklung Feldgleichungen des Einmodenlasers Laserschwelle und stationäre Laserstrahlung Quantisierung des freien Strahlungsfelds Hamilton-Prinzip für klassische Felder Quantisierung stehender Wellen Normalmodenentwicklung nach fortschreitenden Wellen Quantisierung fortschreitender Wellen Vergleich zwischen stehenden und fortschreitenden Wellen* Energie und Impuls: Photonen Quantenzustände des Strahlungsfelds Fock-Zustände Kohärente Zustände Strahlung im thermischen Gleichgewicht Strahlungsfeld mit klassischer Anregung Atome im quantisierten Feld Hamilton-Operator der Licht-Atom-Wechselwirkung Übergangsraten für Absorption und Emission A-Koeffizient der spontanen Emission Zweiniveausystem im quantisierten Einmodenfeld Weisskopf-Wigner Theorie der spontanen Emission Optische Kohärenz Grundbegriffe der Statistik* Zeitliche Kohärenz Wiener-Khintchine-Theorem Räumliche Kohärenz Van Cittert-Zernike-Theorem 406

7 XIV Inhaltsverzeichnis 19.6 Kohärenzfunktionen höherer Ordnung Photonenstatistik 412 Aufgaben 415 Literaturverzeichnis 417 Sachregister 419 *) Abschnitt mit vorwiegend einführendem oder ergänzendem Inhalt