Grundlagen der LASER-Operation Dr. Rolf Neuendorf.
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Grundlagen der LASER-Operation
Dr. Rolf Neuendorf
2002 – Rolf Neuendorf
Inhalt
Grundlagen der Lasertechnik
Erzeugung und Modifikation von Laserpulsen
2002 – Rolf Neuendorf
Grundlagen
LASER – Light Amplification byStimulated Emission of Radiation
Physikalische Grundlage:
Das 2 Niveau System
2002 – Rolf Neuendorf
Das 2-Niveau System
E1
E2
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E2
Das 2-Niveau System
Absorption:
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E2
Das 2-Niveau System
Absorption:
uNBdt
dNAbs
11221
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E2
Das 2-Niveau System
Absorption:
uNBdt
dNAbs
11221
spontane Emission:
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E2
Das 2-Niveau System
Absorption:
uNBdt
dNAbs
11221
spontane Emission:
221
tan12 NA
dtdNspon
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E2
Das 2-Niveau System
Absorption:
uNBdt
dNAbs
11221
spontane Emission:
221
tan12 NA
dtdNspon
stimulierte Emission:
2002 – Rolf Neuendorf
Das 2-Niveau System
E1
E2
Absorption:
uNBdt
dNAbs
11221
spontane Emission:
221
tan12 NA
dtdNspon
stimulierte Emission:
uNBdt
dNstimuliert
22112
2002 – Rolf Neuendorf
Stimulierte Emission
führt zu Photon-Multiplikation(Lichtverstärkung)
das stimuliert emittiertePhoton besitzt die gleicheFrequenz, Phase und Richtungwie das anregende Photon(Kohärenz)
2002 – Rolf Neuendorf
Absorption vs. stimulierte Emission
Absorption ~N1
stimulierte Emission ~N2
E1
E2
E1
E2
Emission bevorzugt, wenn N2 > N1
Besetzungsinversion!
2002 – Rolf Neuendorf
Besetzungsinversion
Gleichgewichts-Besetzung von Zuständen: Boltzmann-Verteilung
kTEEeNN /12
12/
E2 > E1 : im thermischen Gleichgewicht
keine Besetzungsinversion möglich
Nicht-Gleichgewichtszustand erforderlich !
2002 – Rolf Neuendorf
Pumpen
4 Niveau System
E1
E4
E0
E2
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E4
E0
E2
Elektro nenSto ss
Pumpen
4 Niveau System
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E4
E0
E2
strah lun g slo ser,sch n eller Ü b erg ang
Pumpen
4 Niveau System
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E4
E0
E2
Besetzun gsinversio n
Pumpen
4 Niveau System
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E4
E0
E2
Pumpen
4 Niveau System
2002 – Rolf Neuendorf
E1
E4
E0
E2
Pumpen
4 Niveau System
2002 – Rolf Neuendorf
Reale Lasermedien
Nd:YAG
I49/ 2
I411/ 2
I413/ 2
I415/ 2
P u m p b än d er
I49/ 2
I411/ 2
I413/ 2
I415/ 2
F43/ 2
S43/ 2
F47/ 2
F49/ 2
G45/ 2
G27/ 2H2
11/2
H29/ 2
F4 5/ 2
G ru n d zu stan d0
2
4
6
8
10
14
16
18
20
0
848
20012111
2526
~4000
~6000
1141411502
c m -1
Nd:YAG
Nd:YVO4
Cr4+:YAGYb:YAG
Nd:YLF
Cr:RubinTi:Saphir
2002 – Rolf Neuendorf
Verstärkungsprofil
endliche Linienbreite (der Laserniveaus)
E1
E4
E0
E2
D O S
Vers
tärk
ung
2002 – Rolf Neuendorf
Verstärkungsprofil
typische Breiten h
Medium / Hz__
Argon-Ionen 1,1 · 108
Helium-Neon 1,5 · 109
Nd:YAG 2,1 · 1011
Rhodamin 6G (Dye) 1,0 · 1014
2002 – Rolf Neuendorf
Superstrahlung
Laserm ed ium Aktives Medium (mit Inversion) „Superstrahlung“
(spontan) emittiertes Photon wird verstärkt
isotrop undefinierte Verstärkung
viele unkorrelierte Wellenzüge
2002 – Rolf Neuendorf
Feedback
Bedingung für (stabile) Laser-Oszillation:
FEEDBACK
Superstrahlung wird in aktives Medium rückgekoppelt
Laserm ed ium
Reso n ato r
2002 – Rolf Neuendorf
Resonator
Reflexionen an den Resonatorspiegeln
Ausbildung stehender Wellen
Bedingung für konstruktive Interferenz:
L
22c
mmL
Lc
Lc
m2
;2
2002 – Rolf Neuendorf
Longitudinale (axiale) Lasermoden
in der Regel passen viele Resonatormoden in das Verstärkungsprofil des aktiven Mediums
Lc2mode
mode ~ 1,5 ·108 Hz
(mit L = 1m)
zum Vergleich:
gain ~ 108 – 1014 Hz
Ve
rstä
rku
ng
Mo
de
n
2002 – Rolf Neuendorf
Resonatorumlauf
I
2002 – Rolf Neuendorf
I I exp {G-A }
Resonatorumlauf
2002 – Rolf Neuendorf
I I exp {G-A }
2
Resonatorumlauf
2002 – Rolf Neuendorf
I I exp {G-A }
2
2
Resonatorumlauf
2002 – Rolf Neuendorf
I I exp {G-A }
2
2
21
Resonatorumlauf
2002 – Rolf Neuendorf
Resonatorumlauf
Verstärkung, wenn
Schwellenwert:
)(221
AGeIRRI
ARR
G
21
1ln
21
Ve
rstä
rku
ng M
od
en
Schwelle
2002 – Rolf Neuendorf
Resonatorverluste
R1, R2 < 100% (Auskopplung) Absorptionsverluste (A) Beugungsverluste
2002 – Rolf Neuendorf
Äquivalentes
Spaltsystem
Transversale Lasermoden
Beugung transversale Moden
d
2a
d dS1 S2 SnS n -1
Spiegelsystem
iterative Berechnung der Beugungsfigur Fox-Gordon-Gl.
2002 – Rolf Neuendorf
Transversale Lasermoden
2002 – Rolf Neuendorf
Modenselektion
transversale Modenhohe Mode = große laterale Ausdehnung Selektion TEM00- Mode (Blende)
logitudinale Moden z.B. zusätzliches, (inkommensurables) Interferenzfilter (Etalon)
Schwelle
Resonatormoden
Verstärkung
Filtermoden
2002 – Rolf Neuendorf
Erzeugung von Laserpulsen
Güteschaltung des Resonators (Q-Switch) ns -, ps - Pulse
aktive/passive Modenkopplung (mode locking) ps - , fs - Pulse
2002 – Rolf Neuendorf
Güteschaltung (Q-Switch)
Zeit
Pum p p u ls
Lasersch w elle Laserp u ls
Gütesch altu ng(Q -Sw itch )
Besetzu ng sinversio n
2002 – Rolf Neuendorf
M ed iu m
Spie
gel
Po larisato r
Po ckelszelle
Spiegel
Güteschaltung mit Pockelszelle
2002 – Rolf Neuendorf
M ed ium
Spie
gel
Po larisato r
Po ckelszelle
Spiegel
Laserp u ls
Güteschaltung mit Pockelszelle
2002 – Rolf Neuendorf
Güteschaltung mit AO-Schalter
Akusto-Optischer-Schalter
Laserstrah l
Elektro d e
Elektro d eLaserstrah l
Elektro d e
Elektro d e
Brag g -Reflexst
ehen
de W
elle
(Ultr
asch
all)
2002 – Rolf Neuendorf
Modenkopplung
Mehrere (viele)
Moden innerhalb des
Verstärkungsprofils
Laserbetrieb in diesen
Moden möglich
Ve
rstä
rku
ng M
od
en
Schwelle
2002 – Rolf Neuendorf
Amplitude Modenfrequenz Phase
Modenkopplung
Überlagerung
jjj
tjrkijfEtrE
000 exp,
zufällige Phasenbeziehung feste Phasenbeziehung
j statistisch verteilt j konstant
destruktive Interferenz konstruktive Interferenz
2002 – Rolf Neuendorf
Modenkopplung
1 Mode
0 = 1015 s-1
0 20 40 60 80 100-60
-40
-20
0
20
40
60
Feld
amp
litud
e [a
.u.]
Zeit [ns]
2002 – Rolf Neuendorf
Modenkopplung
3 Moden
0 = 1015 s-1
= 108 s-1
0 20 40 60 80 100-60
-40
-20
0
20
40
60
Feld
amp
litud
e [a
.u.]
Zeit [ns]
2002 – Rolf Neuendorf
Modenkopplung
25 Moden
0 = 1015 s-1
= 108 s-1
0 20 40 60 80 100-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
Feld
amp
litud
e [a
.u.]
Zeit [ns]
2002 – Rolf Neuendorf
Modenkopplung
51 Moden
0 = 1015 s-1
= 108 s-1
0 20 40 60 80 100-60
-40
-20
0
20
40
60
Feld
amp
litud
e [a
.u.]
Zeit [ns]
2002 – Rolf Neuendorf
Modenkopplung
Abstand der Pulse
T = 2L / c = 1/ = 2/Mode
Breite der Pulse
T = 1 / = 2/Gain
2002 – Rolf Neuendorf
Aktive Modenkopplung
Moduliere Licht der Frequenz 0 mit ‘:
(z.B. mit Akusto-Optischem-Modulator)
tttt 000 coscos21
coscos
Wähle ‘ = Besetzung benachbarter Moden
2002 – Rolf Neuendorf
Aktive Modenkopplung
Modulation
Grundmode 1. Durchlauf 2. Durchlauf
0-2
0-0-
0 0 0
0+0+
0-2
N Durchläufe
2N+1 Moden
2002 – Rolf Neuendorf
Passive Modenkopplung
Zufälliger Aufbau einer Modenkopplung
selektive Verstärkung des Pulses
sättigbarer Aborber
Kerr-Linse
2002 – Rolf Neuendorf
Passive Modenkopplung
sättigbarer Aborber
I
A
I S
A 0
A 02
modengekoppelter, intensiver Laserpuls
geringe Absorption (<< Verstärkung)
inkohärent überlagerte Moden
starke Absorption (> Verstärkung)
2002 – Rolf Neuendorf
Modifikation von Laserpulsen
Verstärkung Kompression / Dekompression
2002 – Rolf Neuendorf
Verstärkung von Laserpulsen
(mehrfacher) Durchgang durch Lasermedium
Laserm ed ium
2002 – Rolf Neuendorf
Verstärkung von Laserpulsen
z.B. regenerativer Verstärker– Puls wird in Laserresonator eingekoppelt und verstärkt– Auskopplung bei maximaler Verstärkung
Pumpstrahl
Ti.Saphir
EinAus
Pockelszelle
polarisationsabhängiger
Strahlteiler
2002 – Rolf Neuendorf
Verstärkung von Laserpulsen
Problem:
starke Pulse
Energiedichte oberhalb Zerstörungsschwelle
2002 – Rolf Neuendorf
Verstärkung von Laserpulsen
Lösung: „chirped pulsed amplification (CPA)“
Puls
verbreitern verstärken komprimieren
2002 – Rolf Neuendorf
Dekomprimieren (Stretchen) von Pulsen
1. dispersives Element (Gitter, Prisma)– räumliche Trennung der Frequenzanteile
Verzögerungsstrecke– unterschiedliche Weglängen für verschieden
Frequenzanteile 2. dispersives Element
– Zusammenführung der räumlich getrennten Frequenzanteile
2002 – Rolf Neuendorf
Dekomprimieren (Stretchen) von Pulsen
Gitter Gitter
Spiegel
2002 – Rolf Neuendorf
Dekomprimieren (Stretchen) von Pulsen
niedrige Frequenzen langsamer als hohe
„CHIRP“
Zeit
Am
plitu
de
2002 – Rolf Neuendorf
Komprimieren von Pulsen
wie Dekomprimieren – nur umgekehrt ...