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Grundlagen der LASER-Operation

Grundlagen der LASER-Operation. Dr. Rolf Neuendorf. Inhalt. Grundlagen der Lasertechnik Erzeugung und Modifikation von Laserpulsen. Grundlagen. LASER – Light Amplification byStimulated Emission of Radiation Physikalische Grundlage: Das 2 Niveau System. Das 2-Niveau System.

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Grundlagen der LASER-Operation

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Presentation Transcript

  1. Grundlagen der LASER-Operation Dr. Rolf Neuendorf

  2. Inhalt • Grundlagen der Lasertechnik • Erzeugung und Modifikation von Laserpulsen

  3. Grundlagen LASER – Light Amplification byStimulated Emission of Radiation Physikalische Grundlage: Das 2 Niveau System

  4. Das 2-Niveau System

  5. Das 2-Niveau System Absorption:

  6. Das 2-Niveau System Absorption:

  7. Das 2-Niveau System Absorption: spontane Emission:

  8. Das 2-Niveau System Absorption: spontane Emission:

  9. Das 2-Niveau System Absorption: spontane Emission: stimulierte Emission:

  10. Das 2-Niveau System Absorption: spontane Emission: stimulierte Emission:

  11. Stimulierte Emission • führt zu Photon-Multiplikation(Lichtverstärkung) • das stimuliert emittiertePhoton besitzt die gleicheFrequenz, Phase und Richtungwie das anregende Photon(Kohärenz)

  12. Absorption vs. stimulierte Emission Absorption ~N1 stimulierte Emission ~N2 Emission bevorzugt, wenn N2 > N1 Besetzungsinversion!

  13. Besetzungsinversion Gleichgewichts-Besetzung von Zuständen: Boltzmann-Verteilung E2 > E1 : im thermischen Gleichgewicht keine Besetzungsinversion möglich Nicht-Gleichgewichtszustand erforderlich !

  14. Pumpen 4 Niveau System

  15. Pumpen 4 Niveau System

  16. Pumpen 4 Niveau System

  17. Pumpen 4 Niveau System

  18. Pumpen 4 Niveau System

  19. Pumpen 4 Niveau System

  20. Reale Lasermedien Nd:YAG Ti:Saphir Cr:Rubin Nd:YVO4 Nd:YLF Nd:YAG Yb:YAG Cr4+:YAG

  21. Verstärkungsprofil endliche Linienbreite (der Laserniveaus)

  22. Verstärkungsprofil typische Breiten Dn0 (=Dhw / h) Medium Dn0 / Hz__ Argon-Ionen 1,1 · 108 Helium-Neon 1,5 · 109 Nd:YAG 2,1 · 1011 Rhodamin 6G (Dye) 1,0 · 1014

  23. Superstrahlung Aktives Medium (mit Inversion)  „Superstrahlung“ • (spontan) emittiertes Photon wird verstärkt • isotrop • undefinierte Verstärkungviele unkorrelierte Wellenzüge

  24. Feedback Bedingung für (stabile) Laser-Oszillation: FEEDBACK  Superstrahlung wird in aktives Medium rückgekoppelt

  25. Resonator Reflexionen an den Resonatorspiegeln  Ausbildung stehender Wellen Bedingung für konstruktive Interferenz:

  26. Moden  Dwmode ~ 1,5 ·108 Hz (mit L = 1m) Verstärkung w Longitudinale (axiale) Lasermoden in der Regel passen viele Resonatormoden in das Verstärkungsprofil des aktiven Mediums zum Vergleich: Dwgain ~ 108 – 1014 Hz

  27. Resonatorumlauf

  28. Resonatorumlauf

  29. Resonatorumlauf

  30. Resonatorumlauf

  31. Resonatorumlauf

  32. Moden Verstärkung Schwelle w Resonatorumlauf Verstärkung, wenn Schwellenwert:

  33. Resonatorverluste • R1, R2 < 100% (Auskopplung) • Absorptionsverluste (A) • Beugungsverluste

  34. Transversale Lasermoden Beugung  transversale Moden Spiegelsystem Äquivalentes Spaltsystem iterative Berechnung der Beugungsfigur  Fox-Gordon-Gl.

  35. Transversale Lasermoden

  36. Resonatormoden Filtermoden Verstärkung Schwelle w Modenselektion • transversale Modenhohe Mode = große laterale Ausdehnung Selektion TEM00- Mode (Blende) • logitudinale Moden z.B. zusätzliches, (inkommensurables) Interferenzfilter(Etalon)

  37. Erzeugung von Laserpulsen • Güteschaltung des Resonators (Q-Switch) ns -, ps - Pulse • aktive/passive Modenkopplung (mode locking)ps - , fs - Pulse

  38. Güteschaltung (Q-Switch)

  39. Güteschaltung mit Pockelszelle

  40. Güteschaltung mit Pockelszelle

  41. Güteschaltung mit AO-Schalter Akusto-Optischer-Schalter

  42. Moden Verstärkung Schwelle w Modenkopplung Mehrere (viele) Moden innerhalb des Verstärkungsprofils Laserbetrieb in diesen Moden möglich

  43. Überlagerung Phase Amplitude Modenfrequenz zufällige Phasenbeziehung  feste Phasenbeziehung jj statistisch verteilt jj konstant destruktive Interferenz konstruktive Interferenz Modenkopplung

  44. Modenkopplung 1 Mode w0 = 1015 s-1

  45. Modenkopplung 3 Moden w0 = 1015 s-1 Dw = 108 s-1

  46. Modenkopplung 25 Moden w0 = 1015 s-1 Dw = 108 s-1

  47. Modenkopplung 51 Moden w0 = 1015 s-1 Dw = 108 s-1

  48. Modenkopplung Abstand der Pulse T = 2L / c = 1/Dn = 2p/DwMode Breite der Pulse DT = 1 / dn = 2p/DwGain

  49. Aktive Modenkopplung Moduliere Licht der Frequenz w0 mit w‘: (z.B. mit Akusto-Optischem-Modulator) Wähle w‘ = Dw Besetzung benachbarter Moden

  50. w0-2Dw w0-Dw w0-Dw w0w0 w0 w0+Dw w0+Dw w0-2Dw Aktive Modenkopplung Modulation Grundmode 1. Durchlauf 2. Durchlauf N Durchläufe 2N+1 Moden

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