Lasertechnologie

ein Gaslaser

ein Vier-Niveau-System, Schema wird aufgemalt

Festkörper- und Flüssigkeitslaser

Gasionenlaser

z.B. höhere Dichte laseraktiver Atome, daher kürzere Bauformen

vorherige Ionisation erhöht tendenziell den Energieabstand von Elektronenzuständen,

Laserwellenlängen werden mehr zum Blauen bzw. UV verschoben

Nd:YAG-Laser, TiSa-Laser, Rubinlaser, auch Halbleiterlaserdioden

He-Atome durch Elektronenstöße in einer Gasentladung, also eine elektronische Anregung von einem Elektronenzustand (des He-Atoms) auf einen höheren Zustand

Anregung von Schwingungen und Rotationen von mehratomigen Molekülen

elektronisch einige eV, Schwingungen ~0.1eV und Rotationen ~0.01eV

kein Zweiniveaulaser da dort keine Inversion, Dreiniveaulaser gibt es

höhere Pumpschwelle, Grundniveau müsste leergepumpt werden, führt bei solchen Lasern häufig zum Pulsen (spiking)

He lässt sich gut durch Elektronenstöße anregen, angeregte He- und Ne-Atome haben fasst exakt gleich hohe angeregte Zustände, zwischen denen Energie gut übertragen werden kann

Anregung He: Stöße 2. Art mit Umwandlung kinetische Energie in Anregungsenergie, Stöße

zwischen He und Ne übertragen nur Anregungsenergie

Anregung von 1s nach 2s, der obere Zustand ist „metastabil“

es ist kein optischer Übergang von 2s nach 1s möglich, d.h. die Energie kann nicht optisch

abgegeben werden

warum nicht?

„Auswahlregel“, emittiertes Photon müsste den Drehimpuls h-quer besitzen, Übergang 2s-1s

ändert aber Drehimpuls nicht

Rotes Licht bei 632.8nm, aber auch gelbe, grüne Linien und solche im IR

Normalerweise rot, da Verstärkung für gelb bzw. grün gering und IR Licht im Glas der

Vakuumröhrenenden bzw. –spiegel absorbiert wird

zusätzliche sehr hohe Verluste, so dass keine Nettoverstärkung durch stimulierte Emission erfolgt

Nein, die Linie hat eine gewisse Frequenzbreite

Zunächst mal aufgrund der natürlichen Linienbreite, hinzu kommt beim HeNe die Doppler- und Druckverbreiterung

Ist eine Folge der begrenzten Lebensdauern der beteiligten (oberen und unteren) Laserniveaus, dahinter steckt die Unschärferelation für das Produkt DeltaE*DeltaT>h aus Energie- und Zeitunschärfe, Formel hinschreiben

Stöße in einem unter Druck stehenden Gases verkürzen die Lebensdauer tu angeregter Zustände, eine kürzere Lebensdauer DeltaT=tau führt nach der Unschärferelation zu einer größeren Energie- und damit Frequenzunschärfe

Bei T>0K bewegen sich angeregte Atome mit einer Geschwindigkeit v>0. Sie werden damit zu bewegten „Sendern“, so dass wegen des Doppler-Effekt die ausgesandte Frequenz verschoben ist.

Alle Atome in einem (heißen) Gas kann man in Geschwindigkeitsklassen einteilen, entsprechend besteht das Frequenzspektrum aus einer Überlagerung der verschiedenen zu diesen Klassen gehörenden Frequenzen.

Nein, der Laserresonator hat meistens mehrere Longitudinalmoden

von der Verstärkungsbandbreite des Lasers und vom FSR des Resonators, die Formel lautet FSR=c/2L

Das sind mehrere Moden beim He Ne, so 3-5

Ja, dafür braucht man ein „Etalon“

Das ist eine dünne Platte im Resonator, die auch wieder eine „Airyfunktion“ erzeugt, das heißt nur bei bestimmten Resonanzfrequenzen Licht gut durchlässt.

Da die Platte dünn ist (kleines L) ist der zugehörige FSR groß und eine Resonanz des Etalons muss mit einer Resonanz des Resonators zusammenfallen

das ist die (frequenz- und längenabhängige) Transmission I/I_0 eines Resonators, z.B. eines Fabry-Perot-Resonators bestehend aus zwei Spiegeln der Reflektivität R im Abstand L

Hinschreiben der Formel der Airyfunktion, Aufmalen eines Beispiels für eine Ariyfunktion für hohe Reflektivität R

phasenabhängige Überlagerung der einzelnen Amplituden der Lichtwelle, die nach mehrmaliger Reflektion zwischen den Spiegeln hindurchgehen, Stichwort „Vielwelleninterferenz“ (nämlich der vielen durch gelassenen Teilamplituden)

alle symmetrischen Resonatoren, bei denen g1=g2 ist. Diskussion der drei Haupttypen konzentrisch, konfokal und plan-plan.

Mit dem Matrixformalismus der ABCD-Matrizen. Für einen stabilen Resonator muss |A+D|<0.5 sein.

Die Gesamtmatrix M bekommt man hier aus dem Produkt der vier Teile für einen Umlauf eines Strahls im Resonator (2mal Ausbreitung um Strecke d, 2mal Reflektion an sphärische Spiegel)

Ja. Wenn man schon Gaussche Strahlen als Wellenform in einem (stabilen) Resonator kennt, ist die Bedingung dass die Phasenfronten des Gausschen Strahls genau zu den Krümmungsradien der Resonatorspiegel passen

Aufmalen mit den Parametern Taille W_0, Divergenzwinkel, Rayleighlänge z_0, gekrümmt

Phasenfronten

Nur die Größe der Strahltaille und der Ort wo diese liegt.

stimulierte Emission: Ein auf ein angeregtes Atom einfallendes Photon erzeugt ein zweites

identisches Atom mit gleicher Polarisation, Energie/Frequenz und Ausbreitungsrichtung

Gewinn muss größer als Verluste sein, GRT>1.

Man braucht Inversion, dass bedeutet N2 ist größer N1

1. Rückkopplung

2. Modenselektion

3. Verstärkung durch Mehrfachdurchlauf

1. Plan-parallel

2. konfokal

3. hemisphärisch

4. stabil vs. instabil

1. Etalon: zusätzlicher Resonator → selektiert bestimmte Frequenzen

2. Prisma: dispersiv → nur bestimmte Wellenlängen verstärkt

1. Reflexion für p-Polarisation = 0

2. s-Polarisation wird unterdrückt

1. Verluste entscheiden!

2. Nur Moden mit geringsten Verlusten setzen sich durch

3. Resonator + zusätzliche Elemente = Filter