Laser

Da Laser ihr Licht sehr stark auf eine kleine Fläche bündeln, hat das Licht eine sehr hohe Intensität (Leistung W pro Fläche m²). Die Gefahr für Netzhautverletzungen nimmt mit steigender Lichtintensität zu.

Eine Welle die durch die Überlagerung zweiter Wellen entsteht, die mit gleicher Frequenz und gleicher Amplitude gegeneinanderlaufen.

Auch Moden im Resonator

Setzt die Interferenzfähigkeit voraus. Die Wellen besitzen eine feste Phasenlage zueinander.

(stimulierte) Absorption:

Ein Atom kann die Energie eines Photons absorbieren und angeregt werden. Es gelangt somit in einen energetisch höheren Zustand. Dies klappt jedoch nur, wenn die Energie des Photons höher als die Energie ist, die zum Anregen des Atoms benötigt wird.

spontante Emission:

Ein bereits angeregtes Atom kann spontan in einen niedrigeren Energiezustand wechseln, indem es ein Photon emittiert. Da es spontan geschieht, hat das Photon eine beliebige Richtung. Es besitzt jedoch genau den Energiewert, der die Lücke zwischen den beiden Zuständen beschreibt.

stimulierte Emission:

Trifft ein Photon auf ein bereits angeregtes Atom, dann kommt es zur Emission von zwei Lichtquanten. Das emittierte Photon hat hierbei die gleiche Energie und Richtung wie das Photon, welches die stimulierte Emission ausgelöst hat. Nach der stimulierten Emission ist das Atom nicht mehr angeregt und befindet sich im Grundzustand.

3-Niveau-Laser:

• Durch Absorption wird oberes Laserniveau (E3) besetzt

• schnelle Relaxion von E3 nach E2

• langes Verweilen in E2 bis zum Laserübergang von E2 nach E1

• da Niveau E2 gehalten wird -> Besetzungsinversion

Nachteil:

• Unteres Laserniveau ist gleichzeitig Grundniveau

• somit starkes Pumpen erforderlich

4-Niveau-Laser:

• Durch Absorption wird oberes Laserniveua (E3) besetzt

• schnelle Relaxion von E3 nach E2

• langes Verweilen in E2 bis zum Laserübergang von E2 nach E1

• weiteres zerfallen zum Grundniveau E0

Vorteil:

• Es muss nicht so stark wie bei 3-Niveau-Lasern gepumpt werden

• Besetzungsinversion wird einfacher erreicht

Die Atome eines Mediums werden mit einer Energiepumpe (z.B. Lampe) angeregt. Es herrscht Besetzungsinversion. Es kommt zu spontanen Emission von Photonen. Der Resonator sorgt dafür, dass die Photonen, welche in die gewünschte Strahlungsrichtung ausgelöst wurden, angesammelt werden. Diese können wiederum für stimulierte Emissionen sorgen.

Räumliche Kohärenz

Die Phasenbeziehung zwischen zwei Wellen bleibt über eine längere Strecke konstant ohne sich zu ändern.

Zeitliche Kohärenz

Die Phasenbeziehung zwischen zwei Wellenb über einen längeren Zeitraum ändert sich nicht, sondern bleibt immer konstant.

Als Transmission wird der Teil des Lichts bezeichnet, welcher weder reflektiert noch absorbiert wird und somit das Medium durchquert.

Desto größer die Wellenlänge, desto höher die Transmission (Annäherung).

Durch Beugung an einem Objekt entsteht eine sphärische Welle. Trifft diese zusammen mit einer ebenen Referenzwelle auf eine Fotoplatte, dann interferieren diese miteinander, falls sie kohärent zueinander sind. Um Die Kohärenz vorauszusetzen, kommen beide Strahlen meist aus einem Laser. Das entstehende Interferenzmuster gibt anhand der Lage und dem Abstand der Intferenzringe Auskunft über die dreidimensionalen Eigenschaften des Objekts.

Nach außen hin kommt es zu immer größeren Gangunterschieden, da die sphärische und ebene Welle unterschiedlich weite Wege zum Schirm zurücklegen.

Der Spotdurchmesser eines Laserstrahls ist sehr klein und somit die Lichtintensität sehr viel größer als die einer Glühbirne, auch wenn die rein optische Leistung des Lasers geringer ist.

Ebenso:

Strahlengang des Lasers ist annähernd kollimiert und bei Fokussierung durch Augenlinse wird alles auf einen winzigen Punkt auf der Netzhaut gelenkt.

Eine elektromagnetische Welle wird von einem Dipol ausgesendet. Dieser Dipol erzeugt sowohl ein elektrisches Feld als auch ein Magnetfeld. Diese Felder breiten sich senkrecht zueinander als transversale Wellen aus und bilden zusammen eine elektromagnetische Welle. Der E-Feld-Vektor beschreibt die Ausbreitung des elektrischen Feldes und der B-Feld-Vektor die des Magnetfeldes.

Ein Hertzscher Dipol ist letztendlich ein LC-Schwingkreis und hat somit eine Induktivität und eine Kapazität. Die Induktivität bzw. der Teil des Dipols, welcher als Spule wirkt, kann Energie in Form eines Magnetfeldes speichern. Der kapazitive Teil speichert die Energie in Form eines elektrischen Feldes. Der Kreis fängt an zu schwingen, da abwechselnd die Energie zwischen Spule und Kondensator umgewandelt wird.

Ist der Kondensator maximal geladen, dann ist das elektrische Feld maximal. Entlädt sich dieser über die Spule, dann nimmt das elektrische Feld ab und das Magnetfeld zu. Wenn der Kondensator leer ist, dann ist das elektrische Feld minimal und das Magnetfeld maximal. Ab diesem Zeitpunkt baut die Spule ihr Magnetfeld wieder ab und lädt durch den selbstinduzierten Strom den Kondensator wieder auf.

Transversal:

Die Wellen lenken sich senrecht zur Ausbreitungsrichtung aus.

Beispiel: Elektromagnetische Welle

Longitudinal:

Auslenkungs- und Ausbreitungsrichtung identisch.

Beispiel: Schall

Totalreflexion beschreibt die vollständige Reflexion eines Lichtstrahls am Übergang von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium.

Die optische Dichte beschriebt hierbei, wie stark der Strahl beim durchqueren des jeweiligen Mediums abgeschwächt wird.

• ermöglicht Laserpule sehr hoher Intensität

• Puls wird spektral zerlegt und die einzelnen Farbanteile unterschiedlich stark verzögert

  -> rot schneller als blau (Dispersion)

• Puls wird somit auseinandergezogen und Intensität nimmt ab

• Intensität wird dann durch Verstärkung (aktives Medium) wieder erhöht

• resultierender Puls wird wieder komprimiert

Das Prisma besitzt je nach Frequenz der jeweiligen Lichtfarbe einen unterschiedlichen Brechungsindex.

Somit kommt es für die einzelnen Farbkomponenten zu unterschiedlichen Brechungswinkeln und letztendlich zur spektralen Aufspaltung.

Generell zuständig: Dispersion

Trifft ein Laserstrahl auf eine glatte spiegelnde Oberfläche, dann wird dieser reflektiert. Der Strahlengang ändert sich kaum und somit ist der Spotdurchmesser auf der Netzhaut trotz Reflexion sehr klein. Wenn der Strahl jedoch auf eine raue Oberfläche trifft, dann wird das Licht vor dem Eintreffen in das Auge gestreut und der Spot auf der Netzhaut vergrößert. Die Lichtintensität nimmt ab.

Interferenz ist die Überlagerung von Wellen, welche kohärent zueinander sind. Bei gleicher Wellenlänge und gleicher Phase tritt konstruktive Interferenz auf. Die Amplituden addieren sich. Ist jedoch eine Phasenverschiebung von einer halben Wellenlänge vorhanden, dann tritt destruktive Interferenz ein.

Das Medium legt die Bandbreite fest. Ein Laser besitzt immer eine bestimmte Verstärkungsbandbreite.

Ist vergleichbar mit einer Linse, jedoch basiert die Zonenplatte auf Beugung. Die Strahlen werden an den Spalten gebeugt und es kommt zur Verstärkung durch konstruktive Interferenz in bestimmten Brennpunkten.

Das Licht wird an den einzelnen Spalten gebeugt. Die einzigen Kugelwellen interferieren und es entstehen Interferenzmaxima auf dem Schirm. Da nur Licht kohärentes Licht interferieren kann, geben die Interferenzmaxima die einzelnen Farbkomponenten wieder.

Ein Dipol bildet sich, wenn die Elektronen in einem Molekül asymmetrisch verteilt sind. Die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen fallen somit nicht zusammen. Ein Dipol-Molekül ist jedoch von außen elektrisch neutral.

a) Die Atome des Mediums befinden sich im Grundzustand.

b) Mit einer Pumplichtquelle werden die Atome angeregt. Es herrscht Besetzungsinversion.

c) Es kommt zu spontanen Emissionen. Sich horizontal ausbreitende Photonen lösen stimulierte Emissionen aus.

d) Die Photonen mit horizontaler Richtung werden vom Resonator eingefangen und räumen weiter die angeregten Atome ab.

e) Es kommt lawinenartig zu weiteren stimulierten Emissionen. Die Lichtverstärkung nimmt rasant zu.

f) Der Laserstrahl kann die Resonatorkammer verlassen. Es wird erneut die Energiepumpe zugeschaltet.

Wenn der Gangunterschied einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht, ergibt sich konstruktive Interferenz und somit ein Maxima.

Eine Phasen- bzw. Wellenfront ist eine Fläche bei der Wellenausbreitung, auf der alle Punkt die gleiche Laufzeit zu einem Sender besitzen.

Nochmal genau:

Wird eine Wellenfront ausgesandt, dann ist die Aussendung jedes Punktes dieser Front vom Sender aus gleich lang her.

Harmonische Wellen:

Durch die Überlagerung von harmonischen Wellen (Cosinus/Sinus-Wellen) kann jegliche Wellenform nachgebildet werden. Jedes Teilchen der Welle führt phasenverschoben die gleiche Schwingung aus.

Fourier-Analyse:

Um die einzelnen harmonischen Wellenanteile einer bestimmten Wellenfront in ihren Amplituden, Frequenzen und Phasenlagen bestimmen zu können, wird die Fourier-Analyse verwendet.

Es handelt sich letztendlich um einen Festkörperlaser, der durch einen Diodenlaser gepumpt wird.

DPSS -> Diode Pumped Solid State

Zwischen einer Wellenlänge von ca. 400nm und 750nm.

Die unelastische Streuung von Licht an Molekülen unter Beteiligung von Rotations- und Vibrationszuständen der Moleküle.

Das raman-aktive Molekül kann entweder Energie vom Photon absorbieren (Stokes) oder Energie an dieses abgeben (Anti Stokes)

Da es eine unelastische Streuung ist, ändert sich die Energie des Photons bei der Streuung und es entstehen neue Frequenzen.

Desto näher der Punkt bei Holographie am Schirm, desto schneller kommt es nach außen zu größeren Gangunterschieden.

Letztendlich wird das Prinzip der Totalreflexion genutzt. Das in die Faser eingestrahle Licht wird an der Grenzfläche zwischen dem optisch dichteren und optisch dünneren Material totalreflektiert und bewegt sich somit in der Faser fort.

Ebenso muss ein bestimmter Lichteinfallswinkel eingehalten werden.

• Es wird ein Lasersystem verwendet, dass unterschiedliche Wellenlängen einzeln durchschalten kann (Wellenlängenabstände sehr gering)

• Für jede Wellenlänge wird mit dem Messaufbau ein Interferenzmuster aufgenommen und ein digitales Hologramm berechnet

• Das Hologramm zeigt die Phasenkarte (quasi Höhenkarte) des Objekts

• Die Phasenkarte ist total verrauscht, da an der feinen Objektoberfläche diffuse Reflexion auftritt

• Phasenkarten werden modulo 2pi voneinander subtrahiert

• Es entsteht eine rein virtuelle synthetische Wellenlänge, die aus der Schwebungsfrequenz der Einzelwellenlängen resultiert

• Maßinformationen sind zugänglich in der synthetischen Phasenkarte

Das mit “grating” beschriftete Gitter zerlegt das Licht der Laserdiode in seine spektralen Anteile und je nach Ausrichtung wird eine bestimmte Mode zurück in Richtung der Laser Diode reflektiert. Der Diodenlaser und das Gitter arbeiten hierbei wie ein Resonator und nur die einzelne Mode wird verstärkt. Man benutzt kleine Stellschrauben für die horizontale und vertikale Ausrichtung.

• Treten Molekülschwingungen der einzelnen Atome des Moleküls gegeinander auf, dann ändert sich das Dipolmoment von diesem

• Die stetige Änderung des Dipolmoments ruft elektromagnetische Strahlung der entsprechenden Schwingungsfrequenz hervor

• IR-Absorption: Wird das Molekül elektromagnetischer Strahlung der entsprechenden Frequenz ausgesetzt, dann kann es durch die Absorpion von dieser zum Schwingen angeregt werden

• die Anregungsfrequenz von IR-aktiven Schwingungsmoden liegt im IR-Bereich

Es können Laserpulse mit enorm hoher Intensität erzeugt werden. Eine solche Leistung kann bei einem Laser in Dauerbetrieb niemals erreicht werden.

Gibt an, wie gut ein Molekül unter Einfluss eines elektrischen Feldes ein Dipolmoment induziert bekommen kann.

Bei einem permanenten Dipolmoment herrscht stetig eine unsymmetrische Verteilung der Elektronen. Bei einem Wassermolekül ist dies beispielsweise der Fall.

Sie entstehen, wenn sich eine lokale Auslenkung in einem Medium ausbreitet. Dafür muss das gestörte Teilchen mit allen anderen Teilchen verbunden sein.

Indem man den Laserstrahl streut?

Klasse 1

Klasse 1M

Klasse 2

Klasse 2M

Klasse 3R

Klasse 3B

Klasse 4

• Protected Aluminum/Silver Mirror

• Dichroic Mirror

• Semitransparent Mirror

  
  

Light Ampflification By Stimulated Emission Of Radiation

Wenn für diese axialen Moden die Resonanzbedingung im Resonator erfüllt ist.

Sie verhalten sich antiproportional zueinander. Desto größer die Kohärenzlänge, desto kleiner ist die Bandbreite.

Beschreibt die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts (und damit der Brechzahl eines optischen Mediums) von der Wellenlänge, also der Farbe des Lichts. Dies hat zum Beispiel zur Folge, dass die einzelnen Farben eines Lichtstrahls in unterschiedlichen Winkeln am Prisma gebrochen werden. Dies liegt daran, dass pro Farbe bzw. Frequenz die Lichtgeschwindigkeit unterschiedlich stark in einem Medium verringert wird. Somit kommt es zu unterschiedlichen Brechungsindices und zur spektralen Auffächerung an einem Prisma.

Trifft eine ebene Welle auf eine schmale Öffnung, dann wird diese an dem Spalt gebeugt. Die resultierende Welle besitzt ein abgerundetes Profil (quasi sphärisch).

Huygenssche Prinzip (Einfachspalt)

Jeder Punkt der Öffnung sendet eine eigene Kugelwelle aus. Diese Kugelwellen überlagern sich. Ist die Phasenverschiebung zwischen diesen Null, dann addieren sie sich auf. Es entsteht eine bestimmte Intensitätsverteilung, die dort ihr Maxima hat, wo sich die Wellen am stärksten konstruktiv überlagern.

Sphärische Welle:

Eine Kugelwelle breitet sich in alle Raumrichtungen (falls möglich) mit streng konzentrischen Wellenfronten aus.

Ebene Welle:

Eine ebene Welle ist eine Welle, deren Wellenfronten Ebenen sind, welche sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ausdehnen.

Im thermischen Gleichgewicht befinden sich immer mehr Atome in niedrigeren als in höheren Energiezuständen. Durch Pumpen möchte man das Gegenteil erreichen (Besetzungsinversion).

Würde man diese nicht umsetzen können, dann wäre durch abwechselnde Absorption und stimulierte Emission immer nur ein maximales Verhältnis von 1:1 bei den Energiezuständen zu erreichen.

Die Besetzungsinversion wird erreicht, indem man mehrere höhere Energiezustände einführt, welche eine gewisse Lebensdauer besitzen.

• Bei der elastischen Streuung bleibt die Wellenlänge gleich, bei der unelastischen Streuung enstehen neue Wellenlängen.

• Also: Bei elastischer Streuung ist die Summe der kinetischen Energien nach dem Stoß gleich groß wie vorher. Bei unelastischer Streuung ändert sie sich dagegen.

Wellenlänge:

Der räumliche Abstand zwischen zwei benachbartenWellenbergen bzw. Wellentältern.

Formelzeichen: λ

Einheit: [m]

Schwingungsdauer/Periodendauer:

Wie viel Zeit braucht die Welle, um eine vollständige Welle/Periode auszuführen.

Formelzeichen: T

Einheit [s]

Frequenz:

Kehrwert der Periodendauer. Wie viele Schwingungen führt die Welle pro Sekunde aus.

Formelzeichen: f

Einheit [1/s]

Ausbreitungsgeschwindigkeit:

Mit welcher Geschwindigkeit breitet sich die Welle räumlich aus.

Formelzeichen: c (hier vermutlich Lichtgeschwindigkeit)

Einheit [m/s]

Rayleigh-Streuung

Ein schwingendes E-Feld (hier die E-Komponente von der elektromagnetischen Welle des Lichts?) kann mit Materie wechselwirken und in diese ein zeitabhängiges Dipolmoment induzieren. Dieses Moment ruft wiederum elektromagnetische Strahlung hervor, welche die Frequenz des einfallenden Lichtfeldes hat.

Keine Anregung einer Eigenschwingung sondern Streuung.

Teilchen viel kleiner als die Wellenlänge.

Axiale Moden:

Axiale Moden sind Eigenschwingungen des Lichtfelds im Resonator, welche sich entlang der Resonatorachse ausbreiten.

Resonanzbedingung:

Damit es zur Anschwingung im Resonator kommt, muss ein stehendes Lichtwellenfeld entstehen. Dies gilt für folgende Wellenlängen:

• Resonator legt Grundfrequenz fest, die in ihm anschwingen kann.

• Nur Wellen mit der vielfachen Grundfrequenz können im Resonator anschwingen

• Plattenabstand muss vielfaches der halben Wellenlänge sein

Die Lichtintensität ist der Quotient aus der optischen Leistung des Lichtes und der Fläche, die dieses abdeckt. Somit hat sie die Einheit [W/m²].

Nein. Ein Laser besitzt immer eine gewisse Verstärkungsbandbreite und es kommt nie Licht mit nur einer festen Wellenlänge heraus.

Wenn der Gangunterschied einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge abzüglich einer halben Wellenlänge entspricht, dann kommt es zur destruktiven Interferenz und somit zu einem Minima.

• Der Strahlengang muss ständig kontrolliert und gesichert werden (vor Allem bei Laser-Justage)

• Die Geräte sind vor dem Verlassen des Raumes auszuschalten

• Man darf niemals auf Augenhöhe mit dem Laser arbeiten und Augen schließen, falls dies für einen Moment notwendig ist

• Schmuck und Uhren müssen abgelegt werden, da diese den Strahl reflektieren können - gilt auch für Werkzeuge (zur Not Laser abschalten)

• Vor jedem Einschalten den Aufbau prüfen

• Schmuck ablegen

Ein Laser, bei dem nur ein Mode anschwingt. Dies wird durch ein Fabry-Perot-Interferometer (Etalon) erreicht, welches unerwünschte Moden unterdrückt und somit für monochromatisches Licht sorgt.

Etalon: Glaskonstrukt, welches wie ein eigener kleiner Resonator wirkt.

Ortsbild:

y-Achse: Amplitude

x-Achse: zurückgelegter Weg

Zeitbild:

y-Achse: Amplitude

x-Achse: vergangene Zeit

Normale Dispersion:

Der Brechungsindex steigt bei steigender Frequenz des Lichts.

Rot ist schneller als Blau

Anormale Dispersion:

Der Brechungsindex fällt bei steigender Frequenz des Lichts.

Blau ist schneller als Rot

Bei der Fluoreszent handelt es sich um eine spontane bzw. rasche Emission von Licht bzw. von Photonen, die kurzzeitig nach der Anregung bzw. Absorption des jeweiligen Atoms stattfindet.

Stokes-Verschiebung

Die Wellenlänge des durch Fluoreszenz emittierten Lichts ist größer als die des absorbierten Lichts. Die Energie ist somit kleiner bei der Fluoreszenz, was meist mit breitbändigen Energieniveaus im Atom zutun hat.

Wird ein Atom mit einer symmetrischen Ladungsverteilung in ein elektrisches Feld gebracht, dann kommt es zur Ladungstrennung zwischen der äußeren negativen Hülle und dem positiv geladenen Atomkern. Somit entsteht ein induziertes Dipolmoment.

Besonderheiten:

• 4-Niveau-Laser

• Anwendung in Materialverarbeitung

• hohe Leistung

• guter Wirkungsgrad (10% - 20%)

• Wellenlängen 9600nm und 10600nm

  
  

Funktionsweise:

• Gasgemisch CO2-N2-He als Lasermedium

• Medium wird durch Gasentladung angeregt

• Durch Elektronenstöße entstehen metastabile N2-Moleküle bei der Gasentladung

• N2-Moleküle regen CO2-Moleküle durch Stöße zum schwingen an und oberes Laser Niveau wird besetzt -> Inversion

• N2 = Stickstoff

Besonderheiten:

• kleine Leistung

• 4-Niveau-Laser

• gute Strahlqualität und deshalb zur Justierung bzw. Vermessung geeignet

  Wellenlängen 630nm / 1150nm / 3390 nm

Funktionsweise:

• Gasentladung ruft durch Elektronenstöße metastabile He-Atome hervor

• diese übertragen Energie durch Stöße auf die Ne-Atome

• Ne-Atome rufen Laserlicht durch Emission hervor

Besonderheiten:

• wichtigster Festkörperlaser

• hohe Verstärkung

• 4-Niveau-Laser (4 Energiezustände, kontinuierlichebetreibbar)

• Messtechnik, Materialbearbeitung, Medizin, Spektroskopie, Holographie

• 1064nm Wellenlänge

• Nd-dotierter YAG-Kristall als aktives Medium

• Strahlung durch Nd-Ionen

• optisches Pumpen

• 3-Niveau-Laser

• 694nm Wellenlänge

• Rubinkristall als aktives Medium: Chrom-dotierter Saphir

• Es wird meist mit einer Blitzleuchte gepumpt

• Atome befinden sich nach dem Pumpen in einem der zwei höheren Zuständen

• Nach sehr kurzer Zeit wechseln die Atome strahlungsfrei in den Zustand 2E

• Nach relativ langer Zeit kommt es zum Laserübergang

• Durch diese lange Lebensdauert kommt es zur Besetzungsinversion

• Besetzungsinversion ist leichter zu erreichen

• Continuous Wave Modus

Ein Festkörperlaser wird mit einem Diodenlaser anstelle einer typischen Gasentladungslampe gepumpt.

Vorteile

• bessere Wirkungsgrad

• Pumpwellenlänge genau an Medium angepasst -> weniger Wärme

• weniger Wärme -> geringe thermische Spannung -> höhere Leistungsdichte -> bessere Strahlqualität

CO2-Laser

HeNe-Laser

• quasi eine LED die Laserlicht emittiert

• ein stark dotierter p-n-Übergang wird hierbei mit hohen Stromdichten betrieben

• elektrisches Pumpen mit DC-Quelle -> “Löcher” entstehen am p-n-Übergang

• durch Rekombinationsprozesse von Löchern und Elektronen am p-n-Übergang wird Laserlicht emittiert

• die teilreflektierenden Endflächen der Diode bilden den Resonator

• mehrere Dioden werden parallel zu einem “Barren” (Array) zusammengeschaltet, um höhere Leistungen zu erreichen

Besonderheiten

• aktives Medium: Farbstoff gelöst in einer bestimmten Flüssigkeit (z.B. Ethanol oder Wasser)

• Spektralbereich von 300-1200nm durch verschiedene Farbstoffe abgedeckt

• Fluoreszenz durch Vielzahl der Übergänge

• Farbstoff-Moleküle werden beim Pumpen angeregt und wechseln in das oberste Energieniveau

Beam-Expander werden verwendet, um den einfallenden Lichtstrahl aufzuweiten. Er wird zum Beispiel bei der Holographie eingesetzt, sodass der Chip der Kamera vollflächig ausgeleuchtet werden kann.

Beam Expander mit Fokussierlinse

Zwei Konvexe Linsen

Beam Expander mit Streulinse

Eine Konkave und eine Konvexe Linse

Wichtig: Am Anfang vor Linse 1 befindet sich der virtuelle Fokus.

Sorgt für die periodische Unterbrechung eines Licht- bzw. Laserstrahls.

Scheiben-Chopper

• Drehscheibe, die Löcher in bestimmten Abständen besitzt

Stimmgabel-Chopper

• schwingt und an den Gabelenden befinden sich Platten, die geschlossen werden

Shutter als Chopper

• quasi elektrisch angesteuertes Pinhole

• Glas- oder Kunststoffscheiben in einer Fassung, die eine gleichmäßige Abdunklung des einfallenden Lichts erzielen.

• Oft verwendet, um Überbelichtung in der Fotografie zu vermeiden.

• Spiegel kann niemals das gesamte Licht spiegeln

• hat somit immer einen Verlust

• Die “Effizienz” des Spiegels wird mit dem Reflexionsgrad angegeben.

-> letztendlich der Anteil des tatsächlich reflektierten Lichtes.

• Werden eingesetzt, um zwei oder mehrere Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu trennen oder zusammenzuführen

• Besteht aus abwechselnd metallischen und dielektrischen Schichten

• Langpass-Spiegel -> Transmission langer und Reflexion kurzer Wellenlängen

• Kurzpass-Filter -> Transmission kurzer und Reflexion langer Wellenlängen

Kein Glas davor.

• Silber

• Aluminium

• Dielektrikum- und Metallschichten (dichroitischer Spiegel)

• Kupfer

Bauteile mit einer sehr schwarzen Oberfläche, die verwendet werden um Strahlanteile zu blockieren. Kaum Reflexion, da schwarzer Körper.

• Wird z.B. in der Industrie verwendet um starkes Laserlicht zu bündeln.

• Fokussiert letztendlich das einfallende Licht in den Brennpunkt.

• Sammellinse

• Wird benutzt um die Menge an Licht zu regulieren, welche den Film oder den Bildsensor erreicht

• Kann auch zum geradlinigen Ausrichten eines Lasers benutzt werden

Bei einem Festkörperlaser wird meist ein Kristall als aktives Medium im Resonator verwendet. Im Kristall befinden sich die laseraktiven Ionen, so wie es in einem Gas auch der Fall ist.

Bei einem Gaslaser wird ein Gas als aktives Medium im Resonator verwendet.

Theodore Maiman

1960

490-600nm

Pumpen mit frequenzverdoppelten Nd-Yag-Laser.

670-1070nm -> also 400nm

Die Verstärkungsbandbreite ist umgekehrt proportional zur kürzesten Puldauer eines Lasers.

Da die Bandbreite außergewöhnlich groß ist, kann ein kurzer Puls erreicht werden.

Aus dem Kehrwert der Laserbandbreite.

Eher eine Abschätzung.

• Durch das breite Verstärkungsprofil eines Laser können mehrere Moden gleichzeitig anschwingen

• Bei einer festen Phasenlage der Moden zueinander (Kohärenz) und gleicher Amplitude entsteht durch Überlagerung ein Vielstrahlinterferenzmuster

• Dabei entsteht nur ein einziger Laserpuls, der durch den Resonator oszilliert

• Sußerhalb des Pulses tritt destruktive Interferenz auf

• Je mehr Moden anschwingen, desto schärfer wird das Maximum und desto kürzer wird der Puls

• Der Puls läuft zwischen den Resonatorwänden hin und her.

• Sättigbarer Absorber (Kristall) -> wird ab einer bestimmten Intensität transparent

• Glasplättchen

• Kristall wird durch hohe Intensitäten nichtlinear und wirkt ca. wie eine Fokussierlinse

• Brechungsindex wird somit intensitätsabhängig

• Der Laserpuls ist dadurch im Durchmesser gegenüber dem cw-Anteil verjüngt

  
  

  
  

  
  

• Durch Disperion

• Dafür kann ein Prisma verwendet werden

• Das Prisma hat unterschiedliche Brechungsindices für die einzelnen Farbanteile

Durch Dispersion lassen sich die einzelnen spektralen Anteile unterschiedlich stark bremsen. Der Puls wird langgezogen und die Frequenz des Lichts ändert sich zeitlich (bzw. steigt/fällt mit der Zeit).

Pulskompression mit zwei optischen Gittern.

Eine Fotoplatte kann bei der Holographie als Speichermedium (Glasplatte mit einer transparenten Fotoemulsion) für das Interferenzmuster verwendet werden.

• Fotoplatte mit der passenden Rekonstruktionswelle von vorne beleuchten

• Wird am Interferenzmuster so gebeugt, dass es für den Betrachter so aussieht, als würde hinter dem Interferenzmuster das Originalobjekt sein.

• Dieses Bild nennt man virtuelles Bild.

• Fotoschirm wird mit der rückwärts laufenden Rekonstruktionswelle von hinten beleuchtet

• Wird an dem Interferenzmuster gebeugt

• ein reelles Bild des Objekts entsteht im Raum, das auf einem Schirm aufgefangen werden kann

• Lasermedium, welches erst ab einer bestimmten Intensität des Laserstrahls transparent wird

• Gelangt bei hohen Intensitäten in die Sättigung -> Zustände werden besetzt

Welle einer Wellenlänge, die in den Resonator passt.

• Gibt die Grundschwingung an die in den Resonator passt

• Moden müssen vielfache Frequenz der Grundschwingung haben

• gute Kohärenzlänge

• somit gut für Holographie

• spektrale Reinheit vorhanden

Glaskonstrukt, das wie ein kleiner Resonator wirkt. Somit kann nur eine Mode anschwingen und verstärkt werden.

Viele Wellen mit verschiedenen Wellenlängen interferieren die meiste Zeit destruktiv.

• piezoelektrischer Schalter wird verwendet (aktiv da er betrieben wird an Spannung)

• Schalter befindet sich am Kristall im Resonator (Ultraschallwelle in den Kristall)

• Ultraschallwelle lässt zeitliche Abhängigkeit der Dichte des Kristalls hervor

• Licht wird folgenddessen gebeugt (quasi transientes Gitter) und abgelenkt

• Nur Laserlicht synchron zur Schalterfrequenz werden durchgelassen.

• Der Rest wird durch ein Beugungsgitter geschwächt.

• Kerr-Linsen-Effekt

• Brechungsindex wird intensitätsabhängig

• Tritt bei hohen Intensitäten (also Pulslasern) auf

• Nichtlineares Verhalten

• KALTE ABLATION

• Es findet auf dieser Zeitebene keine thermische Reaktion auf

• Thermische Reaktionen finden nur ca. im Nano-Sekunden-Bereich statt

  
  

Autokorrelator

• Strahl wird aufgeteilt

• Zusammenführung in einem Kristall

• Verschiebetisch verstellt einen der beiden Pulse

• Frequenzverdopplung tritt genau bei Überlappung auf

• Verschiebestrecke wird gemessen -> Pulsbreite kann zurückgerechnet werden

• Moleküle können zwei Photonen des gepulsten Lichts absorbieren

• Dies entspricht der Energie von ultraviolettem Licht

• Medium kann durch Fluoreszenz nach Absorpion eindeutig identifiziert werden

• Man muss das Medium nicht ultraviolettem Licht aussetzen

• Materialbearbeitung ohne thermische Reaktion möglich

• ganz feine Schnitte möglich

Untersuchung von dem Schichtaufbau von Geweben/Gegenständen

• Michaelson-Interferometer mit gleich langen Strecken

• Interferenz trotz schlechter Kohärenz des Lasers

• Leichtes Verstellen des Spiegels zeigt immer dann Interferenz am Detektor, wenn eine bestimmte Schicht des Objekts etwas zurückreflektiert

• Tiefe kann über die Spiegelverstellung zurückgerechnet werden

• Kurzkoheränz ist notwendig für feine Auflösung

Wird verwendet, um Kohärenzlänge zu bestimmen.

Tritt auf, wenn Schingungen überlagert werden, die sich in ihrer Frequenz kaum unterscheiden.

Licht mit einem parallelen Strahlengang

Klasse 2

Ein Laserstrahl durchquert ein optisch gepumptes Medium ohne Resonator und wird verstärkt.

• Entsteht beispielsweise auf einem Fotofilm bei der Holographie.

• Wird auch Fresnelsche Zonenplatte genannt.

Off-Axis

Winkelversatz zwischen der Objekt- und Referenzwelle

Inline

Objekt- und Referenzwelle auf identischer Achse

(wie beim Floh im Praktikum)

schlechte Auflösung, da Inline-Holographie verwendet wird

Light Detection and Ranging

• Laserlicht wird auf ein Objekt geschossen, von diesem reflektiert und wieder eingefangen

• Die eingefangenen Photonen können abhängig von der Laufzeit gezählt werden

• Somit kann Abstand vom Laser zum Objekt bestimmt werden

wichtige Bauteile:

• gepulster Laser (wird auf Objekt geschossen)

• Teleskop (fängt reflektierte bzw. gestreute Photonen ein)

• Feldblende (um störendes Licht zu filtern) und optischer Filter

• Detektor (zum zeitabhängigen Zählen der Photonen)

Mie-Streuung

Raman-Streuung

Rayleigh-Streuung

Wellenlängenverschiebung relativ zur Wellenlänge des eingestrahlten Lichts.

Spektrale Verteilung des gestreuten Lichts hängt von der Temperatur ab.

-> Rückschlüsse in Bezug auf Atomsphärentemperatur möglich.

Windmessung

Differential Absorption Lidar

• Schadstofferkennung in der Atmosphäre

• zwei Laser unterschiedlicher Wellenlänge

• die Energie der einen Wellenlänge wird vom untersuchten Teilchen absorbiert, die der anderen jedoch nicht

• bei Reflexion bzw. Streuung können die Intensitäten beider Wellenlängen bei Wiederankunft voneinander abgezogen werden

• übrig bleibt eine Information über die Konzentration der untersuchten Teilchen

• Laserlicht regt einen zu untersuchenden Stoff zur Fluoreszenz an

• Das emittierte Licht wird vom Detektor eingefangen

• Es können Rückschlüsse auf das Material gezogen werden

Starke Lichtstreuung?

• Moden, die zur optischen Achse des Resonators gekippt sind

• die Resonsatorlänge erscheint für diese anders

• andere Wellenlänge hierdurch

• gekippte Anteile im Wellenfeld

Konvexe Linse -> Sammellinse bzw. Fokussierlinse

Konkave Linse -> Streulinse

Die Resonatorlänge muss ein ganzzahliges vielfaches der halben Wellenlänge sein.

Die Frequenz der Welle muss in vielfaches der Grundfrequenz sein. Der Resonator legt die Grundfrequenz fest.

Verstärkungsbandbreite geteilt durch Grundfrequenz.

• Strahl aufteilen und halbieren

• in einem Kristall zusammenführen und überlagern

• Verschiebtisch verstellt einen der beiden Pulse

• Frequenzverdopplung bei genauer Überlappung

• Pulsdauer kann über Verstellweg vom Tisch berechnet werden

Kurzwelliges bzw. blaues Licht wirk stärker gestreut als höherwelligeres Licht. Somit wird dieses häufiger zurückreflektiert und der Himmel erscheint für uns blau.

Der maximale Weglängen- bzw. Laufzeitunterschied, innerhalb dessen noch eine feste Phasenbeziehung zwischen den beiden Wellen besteht, wird als Kohärenzlänge bezeichnet.