grundlagen der laser-operation dr. rolf neuendorf

Grundlagen der LASER-Operation

Dr. Rolf Neuendorf

2002 – Rolf Neuendorf

Inhalt

Grundlagen der Lasertechnik

Erzeugung und Modifikation von Laserpulsen


Grundlagen

LASER – Light Amplification byStimulated Emission of Radiation

Physikalische Grundlage:

Das 2 Niveau System


Das 2-Niveau System

E1

E2


E1

E2

Das 2-Niveau System

Absorption:


E1

E2

Das 2-Niveau System

Absorption:

uNBdt

dNAbs

11221


E1

E2

Das 2-Niveau System

Absorption:

uNBdt

dNAbs

11221

spontane Emission:


E1

E2

Das 2-Niveau System

Absorption:

uNBdt

dNAbs

11221

spontane Emission:

221

tan12 NA

dtdNspon


E1

E2

Das 2-Niveau System

Absorption:

uNBdt

dNAbs

11221

spontane Emission:

221

tan12 NA

dtdNspon

stimulierte Emission:


Das 2-Niveau System

E1

E2

Absorption:

uNBdt

dNAbs

11221

spontane Emission:

221

tan12 NA

dtdNspon

stimulierte Emission:

uNBdt

dNstimuliert

22112


Stimulierte Emission

führt zu Photon-Multiplikation(Lichtverstärkung)

das stimuliert emittiertePhoton besitzt die gleicheFrequenz, Phase und Richtungwie das anregende Photon(Kohärenz)


Absorption vs. stimulierte Emission

Absorption ~N1

stimulierte Emission ~N2

E1

E2

E1

E2

Emission bevorzugt, wenn N2 > N1

Besetzungsinversion!


Besetzungsinversion

Gleichgewichts-Besetzung von Zuständen: Boltzmann-Verteilung

kTEEeNN /12

12/

E2 > E1 : im thermischen Gleichgewicht

keine Besetzungsinversion möglich

Nicht-Gleichgewichtszustand erforderlich !


Pumpen

4 Niveau System

E1

E4

E0

E2


E1

E4

E0

E2

Elektro nenSto ss

Pumpen

4 Niveau System


E1

E4

E0

E2

strah lun g slo ser,sch n eller Ü b erg ang

Pumpen

4 Niveau System


E1

E4

E0

E2

Besetzun gsinversio n

Pumpen

4 Niveau System


E1

E4

E0

E2

Pumpen

4 Niveau System


Reale Lasermedien

Nd:YAG

I49/ 2

I411/ 2

I413/ 2

I415/ 2

P u m p b än d er

I49/ 2

I411/ 2

I413/ 2

I415/ 2

F43/ 2

S43/ 2

F47/ 2

F49/ 2

G45/ 2

G27/ 2H2

11/2

H29/ 2

F4 5/ 2

G ru n d zu stan d0

2

4

6

8

10

14

16

18

20

0

848

20012111

2526

~4000

~6000

1141411502

c m -1

Nd:YAG

Nd:YVO4

Cr4+:YAGYb:YAG

Nd:YLF

Cr:RubinTi:Saphir


Verstärkungsprofil

endliche Linienbreite (der Laserniveaus)

E1

E4

E0

E2

D O S

Vers

tärk

ung


Verstärkungsprofil

typische Breiten h

Medium / Hz__

Argon-Ionen 1,1 · 108

Helium-Neon 1,5 · 109

Nd:YAG 2,1 · 1011

Rhodamin 6G (Dye) 1,0 · 1014


Superstrahlung

Laserm ed ium Aktives Medium (mit Inversion) „Superstrahlung“

(spontan) emittiertes Photon wird verstärkt

isotrop undefinierte Verstärkung

viele unkorrelierte Wellenzüge


Feedback

Bedingung für (stabile) Laser-Oszillation:

FEEDBACK

Superstrahlung wird in aktives Medium rückgekoppelt

Laserm ed ium

Reso n ato r


Resonator

Reflexionen an den Resonatorspiegeln

Ausbildung stehender Wellen

Bedingung für konstruktive Interferenz:

L

22c

mmL

Lc

Lc

m2

;2


Longitudinale (axiale) Lasermoden

in der Regel passen viele Resonatormoden in das Verstärkungsprofil des aktiven Mediums

Lc2mode

mode ~ 1,5 ·108 Hz

(mit L = 1m)

zum Vergleich:

gain ~ 108 – 1014 Hz

Ve

rstä

rku

ng

Mo

de

n


Resonatorumlauf

I


I I exp {G-A }

Resonatorumlauf


I I exp {G-A }

2

Resonatorumlauf


I I exp {G-A }

2

2

Resonatorumlauf


I I exp {G-A }

2

2

21

Resonatorumlauf


Resonatorumlauf

Verstärkung, wenn

Schwellenwert:

)(221

AGeIRRI

ARR

G

21

1ln

21

Ve

rstä

rku

ng M

od

en

Schwelle


Resonatorverluste

R1, R2 < 100% (Auskopplung) Absorptionsverluste (A) Beugungsverluste


Äquivalentes

Spaltsystem

Transversale Lasermoden

Beugung transversale Moden

d

2a

d dS1 S2 SnS n -1

Spiegelsystem

iterative Berechnung der Beugungsfigur Fox-Gordon-Gl.


Transversale Lasermoden


Modenselektion

transversale Modenhohe Mode = große laterale Ausdehnung Selektion TEM00- Mode (Blende)

logitudinale Moden z.B. zusätzliches, (inkommensurables) Interferenzfilter (Etalon)

Schwelle

Resonatormoden

Verstärkung

Filtermoden


Erzeugung von Laserpulsen

Güteschaltung des Resonators (Q-Switch) ns -, ps - Pulse

aktive/passive Modenkopplung (mode locking) ps - , fs - Pulse


Güteschaltung (Q-Switch)

Zeit

Pum p p u ls

Lasersch w elle Laserp u ls

Gütesch altu ng(Q -Sw itch )

Besetzu ng sinversio n


M ed iu m

Spie

gel

Po larisato r

Po ckelszelle

Spiegel

Güteschaltung mit Pockelszelle


M ed ium

Spie

gel

Po larisato r

Po ckelszelle

Spiegel

Laserp u ls

Güteschaltung mit Pockelszelle


Güteschaltung mit AO-Schalter

Akusto-Optischer-Schalter

Laserstrah l

Elektro d e

Elektro d eLaserstrah l

Elektro d e

Elektro d e

Brag g -Reflexst

ehen

de W

elle

(Ultr

asch

all)


Modenkopplung

Mehrere (viele)

Moden innerhalb des

Verstärkungsprofils

Laserbetrieb in diesen

Moden möglich

Ve

rstä

rku

ng M

od

en

Schwelle


Amplitude Modenfrequenz Phase

Modenkopplung

Überlagerung

jjj

tjrkijfEtrE

000 exp,

zufällige Phasenbeziehung feste Phasenbeziehung

j statistisch verteilt j konstant

destruktive Interferenz konstruktive Interferenz


Modenkopplung

1 Mode

0 = 1015 s-1

0 20 40 60 80 100-60

-40

-20

0

20

40

60

Feld

amp

litud

e [a

.u.]

Zeit [ns]


Modenkopplung

3 Moden

0 = 1015 s-1

= 108 s-1

0 20 40 60 80 100-60

-40

-20

0

20

40

60

Feld

amp

litud

e [a

.u.]

Zeit [ns]


Modenkopplung

25 Moden

0 = 1015 s-1

= 108 s-1

0 20 40 60 80 100-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

Feld

amp

litud

e [a

.u.]

Zeit [ns]


Modenkopplung

51 Moden

0 = 1015 s-1

= 108 s-1

0 20 40 60 80 100-60

-40

-20

0

20

40

60

Feld

amp

litud

e [a

.u.]

Zeit [ns]


Modenkopplung

Abstand der Pulse

T = 2L / c = 1/ = 2/Mode

Breite der Pulse

T = 1 / = 2/Gain


Aktive Modenkopplung

Moduliere Licht der Frequenz 0 mit ‘:

(z.B. mit Akusto-Optischem-Modulator)

tttt 000 coscos21

coscos

Wähle ‘ = Besetzung benachbarter Moden


Aktive Modenkopplung

Modulation

Grundmode 1. Durchlauf 2. Durchlauf

0-2

0-0-

0 0 0

0+0+

0-2

N Durchläufe

2N+1 Moden


Passive Modenkopplung

Zufälliger Aufbau einer Modenkopplung

selektive Verstärkung des Pulses

sättigbarer Aborber

Kerr-Linse


Passive Modenkopplung

sättigbarer Aborber

I

A

I S

A 0

A 02

modengekoppelter, intensiver Laserpuls

geringe Absorption (<< Verstärkung)

inkohärent überlagerte Moden

starke Absorption (> Verstärkung)


Modifikation von Laserpulsen

Verstärkung Kompression / Dekompression


Verstärkung von Laserpulsen

(mehrfacher) Durchgang durch Lasermedium

Laserm ed ium



z.B. regenerativer Verstärker– Puls wird in Laserresonator eingekoppelt und verstärkt– Auskopplung bei maximaler Verstärkung

Pumpstrahl

Ti.Saphir

EinAus

Pockelszelle

polarisationsabhängiger

Strahlteiler



Problem:

starke Pulse

Energiedichte oberhalb Zerstörungsschwelle



Lösung: „chirped pulsed amplification (CPA)“

Puls

verbreitern verstärken komprimieren


Dekomprimieren (Stretchen) von Pulsen

1. dispersives Element (Gitter, Prisma)– räumliche Trennung der Frequenzanteile

Verzögerungsstrecke– unterschiedliche Weglängen für verschieden

Frequenzanteile 2. dispersives Element

– Zusammenführung der räumlich getrennten Frequenzanteile



Gitter Gitter

Spiegel



niedrige Frequenzen langsamer als hohe

„CHIRP“

Zeit

Am

plitu

de


Komprimieren von Pulsen

wie Dekomprimieren – nur umgekehrt ...

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