laser

• Light Amplification by stimulated Emission of Radiation

• Wellenn teilchen charakter

• hohe enrgiedichte und geringe Wärmeeinflusszone

  
  

• Absorption

  • Ein Photon trifft auf ein Atom und wird von diesem absorbiert. Die Energie des Photons geht dabei auf das Atom über und versetzt dieses in einen energetisch angeregten Zustand.

• spontane Emission

  • Ein angeregtes Atom emittiert ein Photon. Dabei geht das Atom in einen Zustand niedrigerer Energie über

• stimulierte Emission (für Lasererzeugung wichtig)

  • Trifft das photon auf ein angeregtes Atom, das einen Übergang mit einer Energiedifferenz durchführen kann, die identisch zur Energie des eintreffenden Photons ist, kann ein weiteres Photon der Energie emittiert werden. Dieses zweite Photon ist identisch mit dem ersten, dem ‘induzierenden’ Photon: es besitzt die gleiche Energie und breitet sich in die gleiche Richtung aus. Im Wellenmodell bedeutet dies identische Wellenlängen, Phasen und Ausbreitungsrichtungen der beiden Teilwellen.

    
    

• durch stimulierte Emission und der resonanz der spiege

  • nur Photonen, deren Ausbreitungsrichtung parallel zur Längsachse des Resonators liegt werden reflektiert

• Induzierte Emission muss häufiger auftreten als Absorption und spontane Emission,

  • Verstärkung übertrifft die Verluste

  • Dann wächst die Anzahl identischer Photonen und es wird Laserlicht erzeugt.

Das Überwiegen induzierter Emission ist also notwendig zur Erzeugung von Laserlicht.

• vorraussetzung lichtdurchlässige substanz (rubinkristalstab)

• lichtteilchen bringen die elektronen in höhere umlaufbahn meisten 2 energieniveeos höher. dann fällt es eine bahn tiefer und es beibt trotzdem angeregt. trifft ein photon mit der Passenden Energie (Energiedifferenz zwischen dem angeregten Niveau und dem niedrigeren Niveau entspricht der energie des photons) auf angeregtes photons gibt dies ein zusätzliches photon ab.

• durch resonatoren (spiegelenden) werden die photonen reflektiert und durch weitere atome geschickt die eine stimuliertet emission hervorufen

• diese Photonen haben gleiche richtung energie wellenänge ausbreitungsrichtung

• photonen nehmen lawinenartig zu

  
  

• monochromatisch

  • Im Laserstrahl haben alle Photonen die gleiche Wellenlänge

• kohärent

  • Alle Photonen schwingen im Gleichtakt. Die Wellenzüge haben die gleiche Phasenlage

• gerichtet

  • Die Photonen haben die gleiche Richtung. Sie laufen nahezu parallel

schweißen, löten ,Schneiden, Bohren, Abtragen, Strukturieren, Aufbauen, Verbinden und Beschriften

nivht materialbearbeitungen: anzeigen auf präsentationen, Autolicht im scheinwerfer, medizinisch für augen OPs, etc

• Co2-Laser werden mit wechselspannung betrieben

Laser: gerichtet, monochromatisch kohärent, hohe fokussierbarkeit

Licht: ungerichtet verschiedene wellenlängen , emmision in allen richtung mit verschiedenen frequenzen

• Linsenoptik

• Integrator

• Facettenspiegel

• Oszilator

Strahlführung

• Stufenindex fasern

• monomode faser

• gradientenindex faser

Im aktiven Medium befinden sich mehr Atome oder Moleküle im oberen Laserniveau als im unteren Laserniveau

Wahrscheinlichkeit größer, dass ein Photon ein angeregtes Atom oder Molekül trifft und es stimuliert,

Laserlicht auszusenden, als die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon absorbiert wird. Der Laserstrahl verstärkt sich.

teil Laserlicht und teil entsteht wärme

• durch zu hohe wärme werden die atome auch dadurch angeregt

  • untere Laserniveau ist stärker besetzt als das obere.

  • keine Besetzungsinversion mehr, der Laserprozess stoppt.

    • ca 200 bis 300 grad

  • kühlung durch gas umwälzen (Co2-Laser)

  • aaußerhalb des entladungsraums gkühlt

  • oder diffusion

• Quantenwirkungsgrad

  • Hohe Quantenwirkungsgrade haben Ytterbium (Yb) mit rund 90 Prozent und Kohlendioxid (CO2) mit 43 Prozent

• Gesamtwirkungsgrad

  • Der Gesamtwirkungs- grad eines CO2-Lasers liegt bei 10 Prozent, der eines Yb:YAG- Scheibenlasers bei 20 Prozent.

kohärent gerichtet monochromatisch

materiabearbeitung

medizinische anwendung

kommunikation

etc

absorption sicheheitsaspekte divergenz etc

beshrfiten shweißen löten etc pp schneidne läserhärten

Erhöhte Leistung und Effizienz:

Erweiterte Wellenlängenbereiche:

Bessere Strahlqualität:

Kompaktere und kostengünstigere Laserquellen etc

• stabile Resonatoren

  • Laserlicht beibt nach unendlich vielen umläufen bestehen

  • “geschlossener Lichtweg”

• instabile Resonatoren

  • Laserlicht verschwindet vom resonator nach einigen umläfen

  • offener Lichtweg

• Je größer das Resonatorvolumen ist, desto höhere Laserleistungen lassen sich erzeugen.

• beschreibt das Schwingungsmuster die durch den resonator hervorgerufen wird (Abhängig von größe und form von resonator)

• die Photonendichte und damit die Leistungsdichte an verschiedenen Stellen im Resonator und im ausgekoppelten Laserstrahl.

• Gauß-Mode

  • Die Leistungs- dichte ist in der Strahlmitte am höchsten und nimmt nach außen ab. Der Gauß-Mode lässt sich auf den kleinsten Durchmesser fokussieren

• Ring-Mode

• Muti-moden (überlagerung von Moden)

Modeschuss: unfokussierte Laserstrahl eines CO2-Lasers wird auf einen Plexiglasblock gerichtet.

An Stellen mit höherer Leistungsdichte brennt sich der Strahl tiefer ins Plexiglas.

Der transversale Mode bildet sich als Vertiefung ab.

• bei festkörper laser mit kamera

• Dauerstrichbetrieb (cw-Betrieb)

  • aktive mediium kontinuierlich angeregt

  • Quasi cw betrieb: aktive Medium in Pulsen angeregt.

    • Pause zwischen den Anregungs- pulsen ist so kurz, dass der Laserprozess im aktiven Medium sich zwar abschwächt, aber nicht abbricht. So entsteht ein kontinuierlicher Laserstrahl mit geringerer Leistung

• Pulsen

  • Aktive medium in pulsen anegregt und erzeugt gepulste laiserlicht

  • Leistung, Dauer und Frequenz der Laserpulse bestimmen die gemittelte Leistung des Laserstrahls. Diese liegt immer unter der Leistung der Laserpulse

  • Anregungseistung ist höher als maximale Pulsleistung

• Wenn die Puls-leistung die Anregungsleistung übersteigt, spricht man vom Pulsen mit Pulsüberhöhung

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• Güteschaltung

  • aktive medium wird kontinuierlich mit geringer leistung gepumpt

  • durch optische schaltelement wird der resonator unterbrochen

    • es baut sihc kein laserstrahl auf

  • wenn hohe besetzungsinversion erreicht ist gibt schaltelement weg frei

  • Im Resonator baut sich lawinenartig ein Laserpuls auf, der alle angeregten Atome zum Emittieren stimuliert und dadurch sehr hohe Leistungsspitzen erreichen kann.

  • Danach stoppt der Laserprozess. Nun wird der Schalter geschlossen und der Pumpvorgang beginnt von neuem

    
    

• wenn strahl kleine strahltaille und geringe öffnungswinkel divergenz hat

• Strahlparameterprodukt miteinander multipliziert: der Radius der Taille und der halbe Öffnungswinkel (Divergenzwinkel).

• Die Beugungsmaßzahl M2 beschreibt, wie stark das Strahl- parameterprodukt des betrachteten Strahls vom Optimum, dem Laserstrahl mit Grundmode abweicht. ist

  • gleich oder größer 1

• bei gleiche wellenlängen können beide werte zum vergleich genommen werden

• bei unterschiedlichen nur das strahlparameterprodukt, wei bei m2 die wellenlänge mtberücksichtigt wird