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Grundlagen der LASER-Operation Dr. Rolf Neuendorf.

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Präsentation zum Thema: "Grundlagen der LASER-Operation Dr. Rolf Neuendorf."—  Präsentation transkript:

1 Grundlagen der LASER-Operation Dr. Rolf Neuendorf

2 2002 – Rolf Neuendorf Inhalt Grundlagen der Lasertechnik Erzeugung und Modifikation von Laserpulsen

3 2002 – Rolf Neuendorf Grundlagen LASER – Light Amplification byStimulated Emission of Radiation Physikalische Grundlage: Das 2 Niveau System

4 2002 – Rolf Neuendorf Das 2-Niveau System

5 2002 – Rolf Neuendorf Das 2-Niveau System Absorption:

6 2002 – Rolf Neuendorf Das 2-Niveau System Absorption:

7 2002 – Rolf Neuendorf Das 2-Niveau System Absorption: spontane Emission:

8 2002 – Rolf Neuendorf Das 2-Niveau System Absorption: spontane Emission:

9 2002 – Rolf Neuendorf Das 2-Niveau System Absorption: spontane Emission: stimulierte Emission:

10 2002 – Rolf Neuendorf Das 2-Niveau System Absorption: spontane Emission: stimulierte Emission:

11 2002 – Rolf Neuendorf Stimulierte Emission führt zu Photon- Multiplikation (Lichtverstärkung) das stimuliert emittierte Photon besitzt die gleiche Frequenz, Phase und Richtung wie das anregende Photon (Kohärenz)

12 2002 – Rolf Neuendorf Absorption vs. stimulierte Emission Absorption ~N 1 stimulierte Emission~N 2 Emission bevorzugt, wenn N 2 > N 1 Besetzungsinversion!

13 2002 – Rolf Neuendorf Besetzungsinversion Gleichgewichts-Besetzung von Zuständen: Boltzmann-Verteilung E 2 > E 1 :im thermischen Gleichgewicht keine Besetzungsinversion möglich Nicht-Gleichgewichtszustand erforderlich !

14 2002 – Rolf Neuendorf Pumpen 4 Niveau System

15 2002 – Rolf Neuendorf Pumpen 4 Niveau System

16 2002 – Rolf Neuendorf Pumpen 4 Niveau System

17 2002 – Rolf Neuendorf Pumpen 4 Niveau System

18 2002 – Rolf Neuendorf Pumpen 4 Niveau System

19 2002 – Rolf Neuendorf Pumpen 4 Niveau System

20 2002 – Rolf Neuendorf Reale Lasermedien Nd:YAG Nd:YVO 4 Cr 4+ :YAG Yb:YAG Nd:YLF Cr:Rubin Ti:Saphir

21 2002 – Rolf Neuendorf Verstärkungsprofil endliche Linienbreite (der Laserniveaus)

22 2002 – Rolf Neuendorf Verstärkungsprofil typische Breiten h Medium / Hz__ Argon-Ionen1,1 · 10 8 Helium-Neon1,5 · 10 9 Nd:YAG2,1 · Rhodamin 6G (Dye)1,0 · 10 14

23 2002 – Rolf Neuendorf Superstrahlung Aktives Medium (mit Inversion) Superstrahlung (spontan) emittiertes Photon wird verstärkt isotrop undefinierte Verstärkung viele unkorrelierte Wellenzüge

24 2002 – Rolf Neuendorf Feedback Bedingung für (stabile) Laser-Oszillation: FEEDBACK Superstrahlung wird in aktives Medium rückgekoppelt

25 2002 – Rolf Neuendorf Resonator Reflexionen an den Resonatorspiegeln Ausbildung stehender Wellen Bedingung für konstruktive Interferenz:

26 2002 – Rolf Neuendorf Longitudinale (axiale) Lasermoden in der Regel passen viele Resonatormoden in das Verstärkungsprofil des aktiven Mediums mode ~ 1,5 ·10 8 Hz (mit L = 1m) zum Vergleich: gain ~ 10 8 – Hz Verstärkung Moden

27 2002 – Rolf Neuendorf Resonatorumlauf

28 2002 – Rolf Neuendorf Resonatorumlauf

29 2002 – Rolf Neuendorf Resonatorumlauf

30 2002 – Rolf Neuendorf Resonatorumlauf

31 2002 – Rolf Neuendorf Resonatorumlauf

32 2002 – Rolf Neuendorf Resonatorumlauf Verstärkung, wenn Schwellenwert: Verstärkung Moden Schwelle

33 2002 – Rolf Neuendorf Resonatorverluste R 1, R 2 < 100% (Auskopplung) Absorptionsverluste (A) Beugungsverluste

34 2002 – Rolf Neuendorf Äquivalentes Spaltsystem Transversale Lasermoden Beugung transversale Moden Spiegelsystem iterative Berechnung der Beugungsfigur Fox-Gordon-Gl.

35 2002 – Rolf Neuendorf Transversale Lasermoden

36 2002 – Rolf Neuendorf Modenselektion transversale Moden hohe Mode = große laterale Ausdehnung Selektion TEM 00 - Mode (Blende) logitudinale Moden z.B. zusätzliches, (inkommensurables) Interferenzfilter (Etalon) Schwelle Resonatormoden Verstärkung Filtermoden

37 2002 – Rolf Neuendorf Erzeugung von Laserpulsen Güteschaltung des Resonators (Q-Switch) ns -, ps - Pulse aktive/passive Modenkopplung (mode locking) ps -, fs - Pulse

38 2002 – Rolf Neuendorf Güteschaltung (Q-Switch)

39 2002 – Rolf Neuendorf Güteschaltung mit Pockelszelle

40 2002 – Rolf Neuendorf Güteschaltung mit Pockelszelle

41 2002 – Rolf Neuendorf Güteschaltung mit AO-Schalter Akusto-Optischer-Schalter

42 2002 – Rolf Neuendorf Modenkopplung Mehrere (viele) Moden innerhalb des Verstärkungsprofils Laserbetrieb in diesen Moden möglich Verstärkung Moden Schwelle

43 2002 – Rolf Neuendorf AmplitudeModenfrequenz Phase Modenkopplung Überlagerung zufällige Phasenbeziehung feste Phasenbeziehung j statistisch verteilt j konstant destruktive Interferenzkonstruktive Interferenz

44 2002 – Rolf Neuendorf Modenkopplung 1 Mode 0 = s -1

45 2002 – Rolf Neuendorf Modenkopplung 3 Moden 0 = s -1 = 10 8 s -1

46 2002 – Rolf Neuendorf Modenkopplung 25 Moden 0 = s -1 = 10 8 s -1

47 2002 – Rolf Neuendorf Modenkopplung 51 Moden 0 = s -1 = 10 8 s -1

48 2002 – Rolf Neuendorf Modenkopplung Abstand der Pulse T = 2L / c = 1/ = 2 / Mode Breite der Pulse T = 1 / = 2 / Gain

49 2002 – Rolf Neuendorf Aktive Modenkopplung Moduliere Licht der Frequenz 0 mit : (z.B. mit Akusto-Optischem-Modulator) Wähle = Besetzung benachbarter Moden

50 2002 – Rolf Neuendorf Aktive Modenkopplung Modulation Grundmode 1. Durchlauf 2. Durchlauf N Durchläufe 2N+1 Moden

51 2002 – Rolf Neuendorf Passive Modenkopplung Zufälliger Aufbau einer Modenkopplung selektive Verstärkung des Pulses sättigbarer Aborber Kerr-Linse

52 2002 – Rolf Neuendorf Passive Modenkopplung sättigbarer Aborber modengekoppelter, intensiver Laserpuls geringe Absorption (<< Verstärkung) inkohärent überlagerte Moden starke Absorption (> Verstärkung)

53 2002 – Rolf Neuendorf Modifikation von Laserpulsen Verstärkung Kompression / Dekompression

54 2002 – Rolf Neuendorf Verstärkung von Laserpulsen (mehrfacher) Durchgang durch Lasermedium

55 2002 – Rolf Neuendorf Verstärkung von Laserpulsen z.B. regenerativer Verstärker –Puls wird in Laserresonator eingekoppelt und verstärkt –Auskopplung bei maximaler Verstärkung Pumpstrahl Ti.Saphir Ein Aus Pockelszelle polarisationsabhängiger Strahlteiler

56 2002 – Rolf Neuendorf Verstärkung von Laserpulsen Problem: starke Pulse Energiedichte oberhalb Zerstörungsschwelle

57 2002 – Rolf Neuendorf Verstärkung von Laserpulsen Lösung: chirped pulsed amplification (CPA) Puls verbreitern verstärken komprimieren

58 2002 – Rolf Neuendorf 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

59 2002 – Rolf Neuendorf Dekomprimieren (Stretchen) von Pulsen Gitter Spiegel

60 2002 – Rolf Neuendorf Dekomprimieren (Stretchen) von Pulsen niedrige Frequenzen langsamer als hohe CHIRP Zeit Amplitude

61 2002 – Rolf Neuendorf Komprimieren von Pulsen wie Dekomprimieren – nur umgekehrt...


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