Ursula Keller Department of Physics, Institute for Quantum Electronics, ETH Zurich, Switzerland

1. Licht aus dem Rubin: Geschichte des Lasers Ursula Keller Department of Physics, Institute for Quantum Electronics,ETH Zurich, Switzerland 50 Jahre Laser-Technologie Ringvorlesung der Volkshochschule des Kantons Zürich 29. Okt. 2010

2. Glühbirne - Laser • Viele verschiedene Farben • Wenige/Einige Farben • Identische Intensität • Unterschiedliche Intensität • Gleiche Richtung • In alle Richtungen • “Im Gleichtakt” • Ungleichmässig

3. Erster Laser: 1960 der Rubinlaser Heute 50 Jahre später:kein Leben (wie wir es kennen) ohne den Laser! Was passiert wenn alle Laser plötzlich aufhören zu funktionieren? Die ganze optischen Nachrichtenübertragung hört auf: - keine Datenfernübertragung (Faserkabel) - kein Mobiltelefon (d.h. kein Handy, Natel, i-Phone …) - kein Internet - keine Notrufe Das ganze Finanzgeschäft hört auf: - Keine Kreditkartenzulassung - Kein Cash aus Bankomaten (ATM-Netz) - Kein Zugang zu Bankkontoinformationen Die Verkehrsampel funktionieren nicht … und in der Verzweiflung können wir nicht einmal mehr Musik hören! Eine typische Eigenschaft der Laseranwendung ist, dass der Laser normaler-weise nicht sichtbar ist.

4. HeNe-Laser

5. Stimulierte Emission: Voraussage Einstein Grundlage für den Laser in Berlin: 1916stimulierte (induzierte) Emission (nach Abschluss der allgemeinen Relativitätstheorie im Herbst 1915) Energie 1912 Albert Einstein1879-1955

6. Laser Light amplification by stimulated emission of radiation Der erste Laser: 1960stimulierte Emission (1916 Einstein) kohärente optische Verstärkung in einem Laserresonator Theodore H.Maiman spontan emittiertes Lichtin alle Richtungen Laserstrahlausgekoppelt Spiegel 2 Spiegel 1 stimulierte Emission von Lichtin der Laserstrahlachse Energie Input(Licht, Strom, …)

7. Laser Light amplification by stimulated emission of radiation spontan emittiertes Lichtin alle Richtungen Laserstrahlausgekoppelt Spiegel 2 Spiegel 1 stimulierte Emission von Lichtin der Laserstrahlachse Energie Input(Licht, Strom, …)

8. Laser Light amplification by stimulated emission of radiation Film von Trumpf Faszination Laser Dauer: 8 Min 19 Sek(Zeit die das Licht braucht von der Sonne zur Erde)

9. Laser Light amplification by stimulated emission of radiation Der erste Laser: 1960 Theodore H.Maiman Play movie: Interview with Ted Maiman (4 Min 20 Sek - in English)

10. Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger Maser (Microwellen Quellen) wurden für das Militär entwickelt Charles Townes demonstrierte den ersten Maser in 1954 (3 Jahre lang probiert)

11. Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger • Maser (Microwellen Quellen) wurden für das Militär entwickelt • Charles Townes demonstrierte den ersten Maser in 1954 (3 Jahre lang probiert) • In 1958: Charles Townes (und Arthur Schalow, sein Schwager) publiziert Artikel über Maser bei optischen Frequenzen. • Theoretische Überlegungen • Ihr Vorschlag für den Namen war “Optischer Maser” Dabei erwähnten sie, dass Ruby als Material nicht geeignet ist • Nobel Preis • In 1964 kriegten Townes, Prokhorov and Basov den Nobelpreis für “fundamental work in the field of quantum electronics which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle.“ • In 1981 kriegten Schawlow und Bloembergen den Nobelpreis für "contribution to the development of laser spectroscopy."

12. Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger Oxford University Press 1999 ISBN 0-19-512268-2

13. Gordon GouldLaser Patent Gordon Gould war ein Student an der Columbia University (hatte Kontakt zu Townes). Ging weg vor Abschluss an Columbia Gould kreierte den Namen “Laser”: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" in 1957 Gould patentierte den Laser in 1959 Notizen aus 1957 beglaubigt durch Notar (Besitzer eines Süssigkeitsladens) In den USA zählt die beglaubigte Notiz im Laborbuch als Ursprungsdatum, in Europa die Veröffentlichung) Kontakt zu “Marxisten”: Konnte bei den eigenen Projekten nicht mitmachen. Nach 30 Jahre wurde Patent anerkannt. 80% seiner Patenteinkünfte musste er Anwälten abtreten Wurde Multimilionär “my Santa Fe story”

14. Gordon GouldLaser Patent Simon & Schuster 2000 ISBN 0-684-83515-0

15. Ted Maiman: Konstrukteur des ersten Lasers im Mai 1960 Rennen zum ersten Laser AT&T Bell Labs um New York (USA Ostküste): Grösste Anstrengungen um das Rennen zu gewinnen (x*10Mio$, viele Physiker, darunter einige Nobelpreisträger) Ted Maiman (USA Westküste): Ingenieur bei Hughes Labor in Los Angeles mit einem sehr kleinen Budget (9 Monate, 70’000$). Prof. Amnon Yariv (Doktorvater von Christoph Harder, President www.swisslaser.net) Abeitete zu dieser Zeit bei Bell Labs und er war im Juni in Los Angeles in den Ferien (Bodysurfing). Er liess sich von Maiman den Laser demonstrieren. Meldete an Bell Labs zurück: Das Rennen ist entschieden. Ted Maiman versuchte die Resultate zu publizieren (wurde von den “reviewern” abgelehnt) und lange wurde er ignoriert. Heute ist seine bahnbrechende Leistung annerkannt Ted Maiman video, von Kathleen Maiman erhalten (4 minutes)

16. Ted Maiman: Konstrukteur des ersten Lasers im Mai 1960 Laser Press 2000 ISBN 0-97-029270-8

17. Weitere Bücher …

18. Weitere Laser … • Festkörperlaser - Rubinlaser: Maiman, 1960 (694.3 nm) - Nd:YAG Laser: Geusic, AT&T Bell Laboratories, 1964 (1.06 µm) - Yb:YAG Laser: T. Y. Fan, Byer - Stanford, Huber - Hamburg - Ti:Saphir Laser: 1982 Peter Moulton, MIT Lincoln Lab • Halbleiterlaser - 1962, General Electric, Robert N. Hall (first laser diode) - Aber auch IBM, MIT Lincoln Lab, Texas Instruments, RCA Labs … • Gaslaser - HeNe Laser: AT&T Bell Labs Dec. 1960 (infrarot), 1962 (632 nm) - Argonionenlaser - CO2-Laser: AT&T Bell Labs, Kumar Patel 1964 (10.6 µm) - Excimer Laser: Lebedev Phys. Inst., Russland, 1970 Basov, Popov (193 nm - ArF, 248 nm - KrF) UV Lithography und Laseraugenoperation, LASIK • Farbstofflaser (Flüssigkeit) - Rhodamine 6G (570 nm - 640 nm), viele andere - 1966, unabhängig entwickelt von Sorokin und Schäfer

19. Weitere wissenschaftliche Durchbrüche … Tom Baer, Stanford University

20. Weitere wissenschaftliche Durchbrüche … Nichtlineare Optik Tom Baer, Stanford University

21. Nichtlineare Optik und Spektroskopie Nobelpreis in Physik 1981 Frequenzverdopplung Störungsrechnung:Nobel lecture, 8. Dec. 1981 by Nicolaas Bloembergen, Harvard University NicolaasBloembergen

22. Nichtlineare Optik - heute

23. Weitere wissenschaftliche Durchbrüche … Tom Baer, Stanford University

24. Weitere wissenschaftliche Durchbrüche … Frequenzkämme Tom Baer, Stanford University

25. Femto-Uhren Vergrösserung: 100'000 x Vergrösserung: 100'000 x • Spektrum eines Femtosekunden-Lasers besteht aus Millionen feiner Linien • Diese Linien haben überall immer den gleichen Abstand • Femtosekundenlaser ist für Frequenzen wie ein Lineal für Längen ! “Frequenzlineal” extrem genau!T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, Nature 416, 233, 2002 Stabilisierung des Frequenzkammes mit f-to-2f Interferometer:H. R. Telle, G. Steinmeyer, A. E. Dunlop, J. Stenger, D. H. Sutter, U. Keller, Appl. Phys. B 69, 327, 1999

26. Wie kann ich mit fs-Laser Zeiten messen? Frequenzkamm • optische Frequenzen zu hoch für direkte Messung • Detektor misst Differenzen von Frequenzen = Schwebungssignal • Messung des Abstandes der Linien im Kamm • Messung des Abstandes unbekannte Linie - Kammlinie • Untersetzung optischer Frequenzen • optisches „Getriebe“ • optische Frequenz wird zählbar • damit Zeitmessung Detektor unbekannteFrequenz Detektor

27. Naturkonstanten wirklich konstant?

28. Entdeckung von Planeten Stern Star Planet Prof. Michel Mayor, Uni Genf Erde Earth

29. Lichtleiter Kleine Verluste Keine Absorption oder Streuung: Quartz Lichtleitung Durch Material mit höherem Brechungsindex (kleinerer Geschwindigkeit) Licht ausserhalb des Stabes läuft schneller und biegt den Strahl zurück in den Stab oft etwas verwirrend: „Totale interne Reflektion“ genannt Charles K. Kao NobelpreisPhysik 2009 "for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication"

30. Laser heutige Anwendungen

31. Industrielle Laser: USA Umsatz 1986-2009 David Belforte, Pennwell Corporation

32. Industrielle Laser 2009 David Belforte, Pennwell Corporation

33. Industrielle Laser 2009 David Belforte, Pennwell Corporation

34. Photonik in der Schweiz Dominiert durch Laserstrahlwerkzeuge Lasag: Ruby Laser, Bystronic, Trumpf: CO2 Laser Photonik in der Schweiz: 2-ter in Umsatz/capita in Europa Christoph Harder, swisslaser.net

35. Diffractive micro-optical components - 20 years later ZURICH Oclaro, IBM Research Lab, Avalon, Time-Bandwidth, Exalos, IMT Masken, Omnisec, Soudronic,… BERN Bystronic, Lasag (Swatch Group), Haag-Streit, Ilford Imaging, Sysmelec, Hy-Tech, … NEUCHÂTEL Alpes Lasers, Schott Suisse, Süss Micro, Medtronic, Laser Automation, … ST. GALLEN, Rheintal Leica Geosys, Leica Microsys, Oerlikon Solar, Oerlikon Optics, Fisba Optik, SwissOptic, Cedes, Huber & Suhner, Vectronix,… LAUSANNE Bosch, Beam Express, Omnisens, Lyncée Tec Synova, … LUCERNE - ZUG Roche Instr. Center, Schindler, Leister, Trumpf, OVD Kinegram, Crypto, 3D AG, Sigrist Photometer, Xenlux, Xemtec… TI - Diamond SA, … GENEVA id Quantique, Hach Ultra, … www.swisslaser.netPhotonics CH 2008: 3 Milliarden CHF

36. Laser “a solution looking for a problem” Schawlow using a laser to pop a Mickey Mouse balloon

38. Ruby Laser (Rubinlaser) - Ted Maiman, 1960