𝜂s die Stokes-Effizienz?
𝜂s = Lamda Pump/ Lamda Laser
Kreisfrequenz 𝜔
Photonenenergie
Aufbau Laserstrahlquelle
4-Niveau-System
CO2 -Molekül, Vibrationsanregung( 3 Schwingungsarten)
Was ist das Strahlparameterprodukt?
Was ist ein MOPA?
Was sind die wichtigsten Lasertypen?
Gaslaser, Diodenlaser, Festkörperlaser.
Huygenssches Prinzip?
Es besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle, der so genannten Elementarwelle, betrachtet werden kann. Die neue Lage der Wellenfront ergibt sich durch Überlagerung (Superposition) sämtlicher Elementarwellen.
Fresnelzahl?
Phasendifferenz von Randstrahl und Mittenstrahl. Die Fresnelzahl 𝑁𝑓 = 𝑎 Τ 2 (𝜆𝐿) gibt die Zahl der Hauptmaxima der Intensitätsverteilung im Abstand 𝐿 von der beugenden Öffnung an.
Was ist Kohärenz?
Welche Eigenschaften bestimmt der Resonator?
-Rückkopplung für stimulierte Emission
´-Richtungsselektion, Selektion transversaler Moden
-fequenzselektion (longitudinale Moden), Linienbreite
Wie lautet die Stabilitätsbedingung für einen Resonator?
Energie Photon formel
E =h*v
Nachteil 3-Niveau-Systems
Höhere erforderliche Punpleistung, um Inversion zu erreichen. Vorteil es lässt sich in einem einzelnen Atom realisieren
Was bedeutet das Akronym LASER?
Das Akronym LASER bedeutet Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Nennen Sie die Vorteile, die das Pumpen von Festkörperlasern mit Hochleistungsdiodenlaserstrahlquellen gegenüber dem Pumpen mit Lampen bietet.
Lampen emittieren typischerweise in einem spektralen Bereich mehrerer 100 nm. Die spektrale Breite von Multimode-Hochleistungsdiodenlaserstrahlung beträgt dagegen einige 100 pm bis 10 nm (abhängig von der Zentralwellenlänge und einer optionalen Frequenzstabilisierung). Die Schwerpunktwellenlänge der Emission kann an das Absorptionsspektrum des Lasermediums angepasst werden. Dies ermöglicht zusammen mit dem insgesamt schmalbandigeren Emissionsprofil eine größere Quanteneffizienz und einen kleineren Heizleistungsgrad.
Durch die bessere Strahlqualität der Diodenlaserstrahlung sind zudem auch effiziente, endgepumpte Festkörperlaser und Slab-Verstärker realisierbar.
Die Lebensdauer von Diodenlaserstrahlquellen ist abhängig vom Materialsystem der verwendeten Halbleiter und beträgt mehrere 10.000 Stunden. Die Lebensdauer klassischer Blitzlampen ist um eine Größenordnung kleiner
Nennen Sie ein typisches Lasermedium für Festkörperlaser. Skizzieren Sie das Energieschema eines Drei- und eines Vier-Niveau-Systems und benennen Sie die Niveaus
Bei einem CO2-Laser besteht das aktive Medium aus Kohlenstoffdioxid-Gas. Welche beiden Gase werden außerdem eingesetzt und welche Funktion haben sie?
Neben Kohlenstoffdioxid werden auch Stickstoff (N2) zum Pumpen und Helium (He) zum Kühlen verwendet. Stickstoff bietet einen großen Querschnitt für eine Anregung durch Elektronenstöße, die Energie wird durch Stöße 2. Art auf die CO2-Moleküle übertragen. Ein typisches Mischungsverhältnis ist 70:20:10 (He:N2:CO2
Welche Laserstrahlquellen ohne Frequenzkonversion emittieren UV-Laserstrahlung?
Wellenlängen im UV-Bereich werden mir Gaslaserstrahlquellen erzeugt. Excimer-Laser oder ExciplexLaser emittieren 248 nm (KrF), 193 nm (ArF), 126 nm (Ar2) und 116 nm (H2).
Stimulierte Absorption:
Beim Prozess der Absorption geht ein Atom oder Molekül unter Aufnahme der Energie eines Photons ℎ𝜈21 = 𝐸2 − 𝐸1 vom energetisch niedrigeren Zustand 1 in den angeregten Zustand 2 über (vgl. Abbildung 4).
Stimulierte Emission
Bei diesem Prozess wird die Emission eines Photons durch ein einfallendes Photon ausgelöst. Aus diesem Grund wird er auch als „induzierte Emission“ bezeichnet. Voraussetzung für den Prozess der stimulierten Emission ist, dass die Energie des eingestrahlten Photons mit der Energie des Übergangs übereinstimmt. Das emittierte Photon hat dann dieselbe Frequenz, Phase, Ausbreitungsrichtung und Polarisation wie das eingestrahlte Photon. Nach der stimulierten Emission ist die Photonenzahl des Strahlungsfeldes um das emittierte Photon erhöht worden, die Intensität der Strahlung steigt. Der Prozess der stimulierten Emission ist in Abbildung 6 dargestellt.
Damit ein Medium als aktives Medium in einem Laser genutzt werden kann, muss die stimulierte Emission gegenüber der spontanen Emission überwiegen. Welche fundamentale Eigenschaft muss das aktive Medium hierfür besitzen?
m als aktives, lichtverstärkendes Medium genutzt werden zu können, muss das Medium (mit vertretbarem Aufwand) in den Inversionszustand versetzt werden können. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass ein höher liegendes Energieniveau 𝐸2 stärker besetzt ist als ein niedriger liegendes Niveau 𝐸1 , d.h. es muss gelten:
𝑛2 > 𝑛1
Um den Zustand der Besetzungsinversion zu erreichen, muss das höher liegende Niveau metastabil sein, d.h. lange Verweilzeiten vor der spontanen Emission aufweisen. Dieses wird als oberes Laserniveau und als Energiespeicher genutzt. Das untere Laserniveau muss entsprechend eine kurze Lebensdauer aufweisen.
Teleskopbedingung?
C = 0
Was versteht man unter der Polarisation einer elektromagnetischen Welle?
Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors.
Die Abstrahlcharakteristik eines Diodenlasers (Breitstreifenemitter oder Diodenbarren) ist stark asymmetrisch. Wie werden die beiden transversalen Richtungen genannt? In welcher Richtung ist der Divergenzwinkel größer, und in welcher ist die Strahlqualität besser?
Die beiden Richtungen bei einem Diodenlaser heißen vertikale Richtung (auch fast-axis) und laterale Richtung (auch slow-axis). (1 Punkt) Der Divergenzwinkel in lateraler Richtung ist kleiner als in vertikaler Richtung. (Daher der Name slow-axis und fast-axis. Er beträgt in lateraler Richtung 7-15° Vollwinkel, während er in vertikaler Richtung je nach Bauform 30-100° Vollwinkel beträgt.) (1 Punkt) Die Strahlqualität ist in vertikaler Richtung besser als in lateraler Richtung. (Sie ist vertikal nahe beugungsbegrenzt und lateral deutlich schlechter, M² ~ 20-30.)
Welche drei unterschiedlichen Schwingungsformen kann das CO2-Molekül ausführen? Nennen oder skizzieren Sie diese! Zwischen welchen Anregungen findet der Laserübergang bei der Wellenlänge von 10,6 μm statt? Wie wird ein CO2-Laser gepumpt und welches Gas wird dazu beigemischt?
Das lineare CO2-Molekül kann eine (zweifach entartete) Knickschwingung und eine symmetrische und eine asymmetrische Streckschwingung ausführen. (Die Streckschwingungen haben eine größere Energie als die Knickschwingung. Die asymmetrische hat eine größere Energie als die symmetrische.) (2 Punkte)
(2 Punkte für alle Schwingungsformen, 1 Punkt Abzug pro Fehler bzw. fehlende Schwingungsform) (Die Schwingungszustände können jeweils n-fach angeregt sein, d.h. dass nur bestimmte Werte für die Schwingungsamplitude und damit für die Energie möglich sind.) Der Laserübergang bei der Wellenlänge von 10,6 µm findet zwischen der einfachen Anregung der asymmetrischen und der einfachen Anregung der symmetrischen Streckschwingung statt. (1 Punkt)
Ein CO2-Laser wird durch eine Gasentladung gepumpt. Es wird Stickstoff (N2) beigemischt, da der Wirkungsquerschnitt für eine Elektronenstoßanregung für Stickstoff deutlich größer ist als für Kohlendioxid
Wellenzahlskala k formel?
Die Aussagen der Maxwell-Gleichungen können wie folgt zusammengefaßt werden:
Immer 1/2 bei Mittelwert auf voller Periode
Je nach Schwingung des Feldvektors in der Ebene werden vier Polarisationsarten unterschieden:
• linear polarisiertes Licht
• zirkular polarisiertes Licht
• elliptisch polarisiertes Licht
• unpolarisiertes Licht
Im Fall von linearer Polarisation gilt allgemein:
𝜙𝑥 = 𝜙𝑦
Skizzieren Sie die transversale Intensitätsverteilung am Ort der Strahltaille 𝐼(𝑟, 𝑧 = 0) eines rotationssymmetrischen Gauß’schen Strahls und kennzeichnen Sie den Strahlradius.
Nennen Sie vier unterschiedliche Modulatoren, die zum Schalten der Resonatorgüte eingesetzt werden.
Mechanische Schalter, wie eine rotierende Lochplatte, die den Strahlengang periodisch unterbricht.
• Sättigbarer Absorber, der bei kleinen Laserintensitäten große Verluste erzeugt und bei großer Intensität ausbleicht (sättigt) und nur kleine Verluste erzeugt.
• Akusto-optischer Schalter (AOM), in dem eine durch einen Piezo-Transducer erregte Schallwelle durch einen Kristall läuft. Die Schallwelle stellt eine periodische Variation der Dichte und damit des Brechungsindex dar, an der der Laserstrahl aus dem Resonator gebeugt wird. (Es gibt Anordnungen mit stehenden oder laufenden Wellen.)
• Elektro-optischer Schalter (EOM), z.B. eine Pockels-Zelle, in der durch Anlegen einer Spannung von einigen kV der Kristall doppelbrechend (Pockelseffekt Δ𝑛 ∼ 𝐸) wird und die Polarisation des Lichtes gedreht wird. Das Licht wird dann an einem Polarisator aus dem Resonator gelenkt
In einem gütegeschalteten Oszillator wird der Resonator zunächst durch einen Schalter gesperrt und die Lasertätigkeit unterdrückt. Dadurch kann im gepumpten Laserkristall eine große Inversion erreicht werden. Die dadurch im Laserkristall gespeicherte Energie kann von einem kurzen Puls extrahiert werden, nachdem der Schalter den Resonator wieder frei gibt. Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Leistung im Resonator in die untenstehende Skizze.
Zusammenhang Frequenz und Wellenlänge
Schwingungsdauer formel?
Die Zahl der Schwingungen N innerhalb der Pulsdauer?
Lamda in anderem Medium mit n?
Was ist die Resonatorselektivität 𝐹Ω? In welche Ratengleichung der Ratengleichungen des 4-Niveau-Systems und in Form was für eines Terms geht sie ein? Ist in Aufgabe b) 𝐹Ω = 0 oder 𝐹Ω = 1 angenommen worden?
Wie ist die Kristallstruktur bei doppelbrechenden Materialien und wie wirkt sich diese auf den Brechungsindex aus?
Im Falle von Doppelbrechung ist die Kristallstruktur anisotrop. Dies äußert sich in einem Brechungsindex, der von der Richtung der Polarisation abhängt; die optischen Eigenschaften, z.B. in Bezug auf Brechung, sind nicht mehr durch eine einzelne Zahl beschreibbar.
Welchen Einfluss hat ein 𝜆 2 -Plättchen auf eine linear polarisierte Welle, die senkrecht auf das Plättchen fällt und deren Polarisationsvektor einen Winkel 𝛼 (in der Polarisationsebene) mit der optischen Achse des Plättchens bilde
Mithilfe eines 𝜆 2 -Plättchens kann der Polarisationsvektor um den Wellenvektor gedreht werden. Bildet der Polarisationsvektor vor Propagation durch das Wellenplättchen einen Winkel 𝛼 mit der optischen Achse, so wird der Polarisations-Vektor bei Propagation um 2𝛼 gedreht.
Nennen Sie eine Anwendung im Bereich der Lasertechnik, in der ein 𝜆 2 -Plättchen zum Einsatz kommt und beschreiben Sie kurz, wozu es benötigt wird
Geben Sie die Taillenposition in Abhängigkeit von 𝐿𝐿, 𝑅𝑅 und 𝑓𝑓 an! Wo liegt die Strahltaille bei sehr geringer Pumpleistung, d.h. im Grenzfall verschwindender thermischer Lin
f geht gegen unendlich
Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors
Wie sind die Amplituden 𝐸𝐸0𝑥𝑥 und 𝐸𝐸0𝑦𝑦 sowie die Phase 𝜙𝜙 zu wählen, damit die Welle linear in Richtung der Winkelhalbierenden der 𝑥𝑥𝑥𝑥-Ebene polarisiert ist
Betrachten Sie eine ebene elektromagnetische Welle der Frequenz 𝜈𝜈. Drücken Sie die Kreisfrequenz 𝜔, die Photonenenergie 𝐸𝐸, und Vakuumwellenzahl 𝑘0 durch die Frequenz 𝜈 aus. Bezeichnen Sie die dazu benötigten Naturkonstanten mit ℎ (Planck‘sches Wirkungsquantum) und 𝑐0 (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum). Betrachten Sie nun die Ausbreitung der Welle in einem Medium mit Brechungsindex 𝑛. Wie lauten die Mediumswellenlänge 𝜆med und die Mediumswellenzahl 𝑘med? Drücken Sie diese je
Strahlparameterprodukt
Zusammenhang E und I?
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