Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Licht

Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiation

Licht : a) Elektromagnetische Welle

E = E

sin(-kx) k = 2 p/l

E = E

sin(t)

 = 2 p n = 2 p/T

c = l n c = Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 10

m/s l = Wellenlänge (rot: 800 nm, blau 400 nm) n = Frequenz ( ~5 10

Hz)

b) Photonen (Korpuskularstrahlen)

Energie pro Photon: E = h n h = Plancksches Wirkungsquantum

Verstärkung

Stimulierte Emission von Strahlung

dN

= N

u(n) B

dt dN

= N

A

dt

Signal Signal

Zeit

Übergänge pro Zeit dN

= N

u(n) B

dt Absorption

Spontane Emission

Stimulierte Emission

groß

klein

Besetzungsinversion

Drei-Niveau-Laser

Vier-Niveau-Laser

Einstein-Koeffizienten: A/B @ n

@ 1/l

Großes u(n) notwendig Optischer Resonator

Stimulierte Emission von Strahlung

dN

= N

u(n) B

dt dN

= N

A

dt

Übergänge pro Zeit dN

= N

u(n) B

dt

N

= Besetzung des Niveaus i u(n) = Strahlungsfeld Absorption

Spontane Emission

Stimulierte Emission groß

klein

optischer Verstärker

Energiezufuhr

Resonator

Licht in Resonatormode

Verstärkung durch stimulierte Emission

ausgekoppelter Laserstrahl

a)

spontane Emission

b)

c)

d)

e)

Pumpintensität Besetzungs-

inversion

Laserschwelle

Laser- emission

Einteilung der Lasertypen

Art Anregung

Festkörperlaser Licht

Gaslaser Gasentladung

Flüssigkeitslaser Licht

Diodenlaser elektrischer Strom

Festkörperlaser: Rubin-Laser

Rubin-Stab: 0,05 % Cr

O

in hochreinem Al

O

500 – 600 nm 350 – 450 nm

694,3 nm

Theodore Harold Maiman

geb. 11. Juli 1927 Laser realisiert:

16. Mai 1960

gest. 5. Mai 2007

Weitere Festkörperlaser

Nd:YAG 1,064 µm

Neodym Lasermedium

Yttrium Aluminium Granat Wirtskristall

Holmium:YAG 2,1 µm Erbium:YAG 2,9 µm

Gas-Laser

He-Ne-Laser 632,8 nm, 543 nm CO

-Laser 10,6 µm, 9,6 µm Ar

-Laser 488 nm, 514,5 nm HF-Laser 1,3 µm

Iod-Laser 1,315 µm

Excimer-Laser 170 – 350 nm

He-Ne-Laser

Ar ⁺ -Laser

CO ₂ -Laser

Excimer -Laser

Gas XeF N2 XeCl KrF KrCl ArF F2

Wellenlänge l [nm] 351 337 308 248 222 193 157

Energie [eV] 3,53 3,68 4,03 5,00 5,59 6,43 7,90

Molekül H3C-CH3 H-C2H5 H-CH2 H-OCH3 H-OH

EDis[eV] 3,814 4,249 4,508 4,560 5,161

Ecximer-Laser

Flüssigkeitslaser

Farbstoff-Laser (engl. Dye-Laser)

Lasermedium sind in Flüssigkeit gelöste Farbstoffe

Farbstoffe

Freier Elektron-Laser (FEL)

Diodenlaser

p n

Strom

L ic h te m m is io n

+ -

Diodenlaser

Diodenlaser

Diodenlaser

Optisch Parametrischer Oszillator

n

n

n

Nichtlinearer Kristall Signal- welle

Idler- welle

Energie-Erhaltung: h n

= h n

+ h n

Impuls-Erhaltung: p

= p

+ p

Durch Drehen des nichtlinearen Kristalls kann das Verhältnis n

/n

abgestimmt werden

Frequenzverdopplung

Nichtlinearer Kristall

n

n

n

Aus Energie-Erhaltung folgt: n

= 2 n

Da c = l n gilt, erhält man: l

= ½ l

Frequenzverdopplung

2 Laser Laser

Emission

E E

E =     

Wie funktioniert Frequenzverdopplung?

  t sin E

E

=

  

 

 

 1 cos 2 t 

2 E 1

t sin E E

2 0

2 2 0 2

Laser













=







=

Laser Crystal

Doubling Crystal

Laser Crystal

Combined Crystal

Doubling

Crystal

Frequenzverdopplung

Welche Kristalle verwendet man?

Worin unterscheidet sich Laserlicht von Licht einer konventionellen Lichtquelle?

Es sind im wesentlichen drei Unterschiede:

1. Monochromatisches Licht (d.h. nur eine Wellenlänge bzw. Farbe) 2. Kohärenz

(das Licht ist fähig, Interferenz zu zeigen)

3. Hohe optische Strahlqualität

(kleiner Divergenzwinkel, kleiner Strahlquerschnitt)

Monochromasie

Eine Glühlampe ist eigentlich eine Heizung, die ein bisschen Licht emittiert!

Das Spektrum, das sie emittiert hat eine breite Wellenlängenverteilung

Ein Laser emittiert im allgemeinen nur eine Wellenlänge (Farbe) Luftballon-

Experiment

Laser

Kohärenz

Es existiert eine feste Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Teilstrahlen.

Nicht kohärent kohärent

Konventionelle

Lichtquelle Laser

Photonen

Interferenz

Optische Strahlqualität

Glühlampe: 40 Watt Lichtleistung 10 Watt wird in alle

Raumrichtungen gleichmäßig abgestrahlt: Strahlstärke: 0,8 W/sr

Ar

-Laser: 10 Watt, Strahldurchmesser 1,7 mm, Divergenzwinkel: 0,5 mrad Strahlstärke: 4 10

W/sr

Mit Laserstrahlung erreicht man Leistungsdichten, die um viele Größenordnungen über den Werten liegen, die mit konventionellen Lichtquellen möglich sind.

Neue Arten von Laserlicht-Gewebe-Wechselwirkung