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Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie Seminar.

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Präsentation zum Thema: "Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie Seminar."—  Präsentation transkript:

1 Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie Seminar zur Atom- und Molekülphysik

2 Inhalt Laser und Resonatoren Aufbau eines Lasers Resonatoren wichtige Lasertypen Wellenlängenselektion Charakterisierung und Messung von Laserstrahlung Spektralbereiche Wavemeter, Michelsoninterferometer Linienbreitenmessung Allan Varianz Stabilisierung und Linienbreitenreduktion Stabilisierung mittels Sättigungsspektrokopie externe Stabilisierung (Littman, Littrow) Pound-Drever-Hall-Stabilisierung

3 Laser : Grundlagen aktive Medien : Gas (HeNe, Ar+, CO 2 ) Flüssigkeit (Farbstoff in Methanol) Festkörper (Halbleiter, TiSa, Nd-YAG, Nd-YLF) Energiequellen : Blitzlampen Gasentladung (Plasma) Pumplaser (Diodenlaser, Ar-Ionen-Laser) Resonator : plan, konfokal, stabil, instabil 2-Spiegel, Ringresonator

4 Laser Theorie Thermische Besetzung : Frequenz des Lasers : ( ) -Verstärkung im aktivenMedium -Verluste durch Absorption und Beugung Intensität im Resonator (vgl. Lambert-Beer) : Laseremission, wenn N 2 >N 1 (Besetzungsinversion) und -2 ( )L - > 1 (Verstärkung).

5 (Longitudinale Moden) Modenspektrum eines Lasers

6 Resonatoren (konfokal-plan, Modenstruktur, Formeln) Resonator Grundlagen

7 Resonator Theorie Gauss-Modenstruktur : Mit Fresnel-Zahl : F>>1 : geometrische Optik, F~1/ Beugungsverluste :

8 ABCD Formalismus Beschreibung der Strahlausbreitung eines Gaußschen Laserstrahls beim Durchgang durch verschiedene optische Elemente Durchgang durch ein optisches Element : Transformation der Strahlvektoren : q-Parameter:R(z) – Krümmung des Gaußstrahls

9 ABCD Formalismus - Praxis Produkt der Stahlmatrizen ergibt die exakte Abbildung Berechnung von Strahltaille und Krümmungsradius in beliebigen optischen Anordnungen die optischen Elemente werden durch unterschiedliche Strahlmatrizen beschrieben geradlinige Ausbreitung : dünne Linse : z.B.

10 Halbleiter-Laser Injektionsstrom Temperatur (externe Rückkopplung) Wellenlängenänderung durch: ( => Wenige Moden innerhalb des Verstärkungsprofils von 1-2nm Freier Spektralbereich :

11 typisch für viele Farbstoff- und Festkörperlaser (z.B. TiSa) Ringlasersystem

12 Fabry-Perot-Interferometer (FPI), Etalon Reflektionsfinesse : Transmittierte und reflektierte Intensitäten : mit

13 Lyot Filter, Birefringent Filter Freier Spektralbereich: Transmission :

14 Spektralbereiche Typische Diodenlaser: Röntgenlaser, gepulst1 nm – 100 nmVUV, XUV Frequenzverdopplung100 nm – 400 nmUV HeNe (630 nm), Farbstoff, Diodenlaser 400 nm – 800 nmOptisch Diodenlaser, TiSa ( nm) 5 µm – 800 nmNahes IR CO 2 (10,6 µm)50 µm – 5 µmInfrarot CH 3 F (496 µm)1 mm – 50 µmFernes IR Übersicht und Beispiele für Laser :

15 Frequenzverdopplung Erweiterung des Wellenlängenbereiches für cw-Laser in den UV-Bereich mittels nichtlinearer Kristalle Erhöhung der Konversionseffizienz durch eine Resonatorkonfiguration z.B nm nm

16 T. Day, E.K. Gustafson and R.L. Beyer (1992) Messung von Wellenlängen Entwicklung der Messgenauigkeit in den Letzten Jahrzehnte enorm ! Heute: Linienbreiten von unter 1Hz (!) realisierbar.

17 Kommerzielles Wavemeter (Burleigh WA 1000) Einfaches Wavemeter Michelson-Interferometer (Wavemeter) Überlagerung des zu messenden Lasers mit einem Referenzlaser (meist stabilisierter HeNe-Laser) Bewegung des Schlittens zur Erzeugung eines dynamischen Interferenzbildes elektronische Auszählung der Interferenzringe zur Bestimmung des Wellenlängenverhältnisses

18 Linienbreite von Lasern Stabilisierung auf einen atomaren Übergang (Sättigungsspektrokopie) externe Rückkopplung mit wellenlängenselektivem Element Stabilisierung auf externen Resonator Pound-Drever-Hall-Stabilisierung Schawlow-Townes-Breite : Theoretisch : Praktisch : Linienbreite etwa 50 mal so groß (wegen Relaxationsschwingungen) z.B. Diodenlaser : ~ 100 MHz / P [mW] Verbesserung :

19 Linienbreitenmessung (Beatmessung) Überlagerung zweier Laser mit fast gleicher Frequenz Messung der Schwebungsfrequenz mittels einer schnellen Fotodiode Frequenzanalysator –Signal: Sehr genaue Vermessung der Linienbreite von Lasern. [gemessen wird das Faltungssignal beider Laser] Messung der relativen Frequenzabweichung

20 Allan Varianz - Theorie Messwerte {y 1,y 2,...,y N } : Mittelwert :Varianz : Paarvarianz : Allan, Barnes (1966) : Lösung : Vergleich benachbarter Messungen Divergiert für N : herkömmliche Standardabweichung nicht geeignet für Aussage zur Stabilität.

21 Allan Varianz - Praxis Stabilitätsbereiche: Kurzzeitbereich : weißes Rauschen ( -1/2 ) 1/f – Bereich : horizontaler Bereich ( 0 ) Langzeitbereich : lineare Drift ( 1 ) Messung der Stabilität eines Lasers in unterschiedlichen Zeitbereichen z.B. Frequenzstabilität atomarer Springbrunnen : = /2

22 Sättigungsspektroskopie: Sättigung mit einem starken Pumpstrahl Messung mit einem Probestrahl Atome mit v=0 verursachen ein Lamb-Dip => Dopplerfreie Spektroskopie Stabilisierung mit Sättigungsspektroskopie => Stabilisierung mittels einer Lock- In-Technik

23 Stabilisierung durch Rückkopplung Littrow Winkel : Linienbreitenreduktion :

24 Pound-Drever-Hall Stabilisierung Modulation des Lasers mit einer Radiofrequenz (etwa 10MHz) Messung des von einem externen Resonator reflektierten Signals Mischung der Radiofrequenz mit dem Fotodiodensignal => Fehlersignal zur Steuerung des Lasers

25 Typisches stabilisiertes Lasersystem Werte des Lasersystems : Finesse des Resonators : F= (!) Linienbreite des Lasers : < 100 Hz Rohde (Blatt Group, Innsbruck) besteht aus : Ar + -Laser gepumpter TiSa-Laser, stabilisiert mittels Pound-Drever-Hall- Methode auf einen Hochfinesse-Resonator

26 Zusammenfassung Prinzip und Aufbau von typischen Lasern und Resonatoren (Diodenlaser, TiSa-Ringlaser, ABCD-Formalismus) Charakterisierung von Lasern (Linienbreite, FSR, Durchstimmbarkeit) Wellenlängenbeeinflussung mittels verschiedener optischer Elemente (FPI, Lyot-Filter) Messung von Wellenlängen und Linienbreiten (Wavemeter, Beatmessung, Frequenzverdopplung,Allan-Varianz) Stabilisierungsmethoden (Sättigungsspektroskopie, externer Resonator, Pound-Drever-Methode) Typisches stabilisiertes Lasersystem mit Linienbreiten unter 100 Hz


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