Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut

1. Seminar zur Atom- und Molekülphysik Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

2. Inhalt • Laser und Resonatoren • Aufbau eines Lasers • Resonatoren • wichtige Lasertypen • Wellenlängenselektion • Charakterisierung und Messung von Laserstrahlung • Spektralbereiche • Wavemeter, Michelsoninterferometer • Linienbreitenmessung • Allan Varianz • Stabilisierung und Linienbreitenreduktion • Stabilisierung mittels Sättigungsspektrokopie • externe Stabilisierung (Littman, Littrow) • Pound-Drever-Hall-Stabilisierung

3. aktive Medien : • Gas (HeNe, Ar+, CO2) • Flüssigkeit (Farbstoff in Methanol) • Festkörper (Halbleiter, TiSa, Nd-YAG, Nd-YLF) • Energiequellen : • Blitzlampen • Gasentladung (Plasma) • Pumplaser (Diodenlaser, Ar-Ionen-Laser) • Resonator : • plan, konfokal, • stabil, instabil • 2-Spiegel, Ringresonator Laser : Grundlagen

4. Intensität im Resonator (vgl. Lambert-Beer) : () -Verstärkung im aktivenMedium  -Verluste durch Absorption und Beugung Thermische Besetzung : Frequenz des Lasers : Laser Theorie • Laseremission, wenn N2>N1 (Besetzungsinversion) und -2()L -  > 1 (Verstärkung).

5. Modenspektrum eines Lasers (Longitudinale Moden)

6. Resonator Grundlagen Resonatoren (konfokal-plan, Modenstruktur, Formeln)

7. Gauss-Modenstruktur : Fresnel-Zahl : Resonator Theorie Mit Beugungsverluste : F>>1 : geometrische Optik, F~1/

8. q-Parameter: R(z) – Krümmung des Gaußstrahls Durchgang durch ein optisches Element : Transformation der Strahlvektoren : ABCD Formalismus • Beschreibung der Strahlausbreitung eines Gaußschen Laserstrahls beim Durchgang durch verschiedene optische Elemente

9. dünne Linse : ABCD Formalismus - Praxis  die optischen Elemente werden durch unterschiedliche Strahlmatrizen beschrieben z.B. geradlinige Ausbreitung : • Produkt der Stahlmatrizen ergibt die exakte Abbildung •  Berechnung von Strahltaille und Krümmungsradius in beliebigen optischen Anordnungen

10. Freier Spektralbereich : (0,3nm@1µm) => Wenige Moden innerhalb des Verstärkungsprofils von 1-2nm Wellenlängenänderung durch: • Injektionsstrom • Temperatur • (externe Rückkopplung) Halbleiter-Laser

11. Ringlasersystem • typisch für viele Farbstoff- und Festkörperlaser (z.B. TiSa)

12. Reflektionsfinesse : mit Fabry-Perot-Interferometer (FPI), Etalon Transmittierte und reflektierte Intensitäten :

13. Lyot Filter, Birefringent Filter Transmission : Freier Spektralbereich:

14. Fernes IR 1 mm – 50 µm CH3F (496 µm) Infrarot 50 µm – 5 µm CO2 (10,6 µm) Nahes IR 5 µm – 800 nm Diodenlaser, TiSa (800-1100 nm) Optisch 400 nm – 800 nm HeNe (630 nm), Farbstoff, Diodenlaser UV 100 nm – 400 nm Frequenzverdopplung VUV, XUV 1 nm – 100 nm Röntgenlaser, gepulst Spektralbereiche Typische Diodenlaser: Übersicht und Beispiele für Laser :

15. Frequenzverdopplung • Erweiterung des Wellenlängenbereiches für cw-Laser in den UV-Bereich mittels nichtlinearer Kristalle • Erhöhung der Konversionseffizienz durch eine Resonatorkonfiguration z.B. 2.2 W @ 778 nm 200 mW @ 389 nm

16. Messung von Wellenlängen Entwicklung der Messgenauigkeit in den Letzten Jahrzehnte enorm ! Heute: Linienbreiten von unter 1Hz (!) realisierbar. T. Day, E.K. Gustafson and R.L. Beyer (1992)

17. Michelson-Interferometer (Wavemeter) • Überlagerung des zu messenden Lasers mit einem Referenzlaser (meist stabilisierter HeNe-Laser) • Bewegung des Schlittens zur Erzeugung eines • dynamischen Interferenzbildes • elektronische Auszählung der Interferenzringe • zur Bestimmung des Wellenlängenverhältnisses Kommerzielles Wavemeter (Burleigh WA 1000) Einfaches Wavemeter

18. Schawlow-Townes-Breite : Linienbreite von Lasern Theoretisch : Praktisch : Linienbreite etwa 50 mal so groß (wegen Relaxationsschwingungen)  z.B. Diodenlaser :  ~ 100 MHz / P [mW] Verbesserung : • Stabilisierung auf einen atomaren Übergang (Sättigungsspektrokopie) • externe Rückkopplung mit wellenlängenselektivem Element • Stabilisierung auf externen Resonator • Pound-Drever-Hall-Stabilisierung

19. Linienbreitenmessung (Beatmessung) • Überlagerung zweier Laser mit fast gleicher Frequenz • Messung der Schwebungsfrequenz mittels einer schnellen Fotodiode Frequenzanalysator –Signal: • Sehr genaue Vermessung der Linienbreite von Lasern. [gemessen wird das Faltungssignal beider Laser]  Messung der relativen Frequenzabweichung

20. Messwerte {y1,y2,...,yN} : Mittelwert : Varianz : Lösung : Vergleich benachbarter Messungen Paarvarianz : Allan, Barnes (1966) : Allan Varianz - Theorie Divergiert für N : herkömmliche Standardabweichung nicht geeignet für Aussage zur Stabilität.

21. Allan Varianz - Praxis  Messung der Stabilität eines Lasers in unterschiedlichen Zeitbereichen • Stabilitätsbereiche: • Kurzzeitbereich : weißes Rauschen (-1/2) • 1/f – Bereich : horizontaler Bereich (0) • Langzeitbereich : lineare Drift (1) z.B. Frequenzstabilität atomarer Springbrunnen :  = 10-14-1/2

22. Stabilisierung mit Sättigungsspektroskopie • Sättigungsspektroskopie: • Sättigung mit einem starken Pumpstrahl • Messung mit einem Probestrahl • Atome mit v=0 verursachen ein „Lamb-Dip“ • => Dopplerfreie Spektroskopie => Stabilisierung mittels einer Lock-In-Technik

23. Littrow Winkel : Linienbreitenreduktion : Stabilisierung durch Rückkopplung

24. Pound-Drever-Hall Stabilisierung • Modulation des Lasers mit einer Radiofrequenz (etwa 10MHz) • Messung des von einem externen Resonator reflektierten Signals • Mischung der Radiofrequenz mit dem • Fotodiodensignal • => Fehlersignal zur Steuerung des Lasers

25. Typisches stabilisiertes Lasersystem besteht aus : Ar+-Laser gepumpter TiSa-Laser, stabilisiert mittels Pound-Drever-Hall- Methode auf einen Hochfinesse-Resonator Werte des Lasersystems : Finesse des Resonators : F= 236000 (!) Linienbreite des Lasers : < 100 Hz Rohde (Blatt Group, Innsbruck)

26. Zusammenfassung • Prinzip und Aufbau von typischen Lasern und Resonatoren (Diodenlaser, TiSa-Ringlaser, ABCD-Formalismus) • Charakterisierung von Lasern (Linienbreite, FSR, Durchstimmbarkeit) • Wellenlängenbeeinflussung mittels verschiedener optischer Elemente • (FPI, Lyot-Filter) • Messung von Wellenlängen und Linienbreiten (Wavemeter, Beatmessung, Frequenzverdopplung,Allan-Varianz) • Stabilisierungsmethoden (Sättigungsspektroskopie, externer Resonator, • Pound-Drever-Methode) • Typisches stabilisiertes Lasersystem mit Linienbreiten unter 100 Hz