SS 2015 Donnerstag, 10 Uhr c.t. PH II 127, Seminarraum E11 Ultrakurzzeitphysik II Prof. Reinhard Kienberger PD. Hristo Iglev Lehrstuhl für Laser und Röntgenphysik E11 Vertretung heute am : Dr. Birgitta Schultze-Bernhardt

Exkursion zum Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY 2 Besichtigung des Freien Elektronenlasers FLASH 13. / 14. Juni oder 22. / 23. Juni Besichtigung der Baustelle für den Europäischen Röntgen-FEL (XFEL)

Wiederholung Absorptionskoeffizient des Mediums: Im thermodynamischen Gleichgewicht N 1 > N 2 Wenn N 2 > N 1 : Verstärkungskoeffizient R k ist die Pumprate ins Niveau |k> spontane Relaxation mit einer Zerfallszeit τ k Strahlungs-Lebensdauer τ k r nicht-strahlende Lebensdauer τ k nr Lambert-Beersches Absorptionsgesetz + Annahme, die Populationen N 1 und N 2 ändern sich nicht signifikant. τ k nr ist Temperaturabhängig  wird kleiner bei höheren Temperaturen 3

Wiederholung Die relevanten Ratengleichungen sind: |3> |2> |1> |0> E E3E3 E2E2 E1E1 R2R2 E0E0 N2N2 N1N1 4 R 2 ist die Pumprate ins Niveau |2> Wenn 1/τ 1 sehr groß im Vergleich zu 1/τ 2 ist, dann ist N 1 ~ 0, und

stationäre Besetzung des oberen Laser-Niveaus (dN 2 /dt = 0): |3> |2> |1> |0> E E3E3 E2E2 E1E1 R2R2 E0E0 N2N2 N1N1 Kleinsignal-Verstärkungskoeffizient:  stationärer Verstärkungskoeffizient: Wiederholung

 Minimalwert für γ t für Verstärkung, ab dem Laserbetrieb möglich  Lösungen: damit und Betrachte geschlossenen Umlauf im Resonator + Randbedingungen: Randbedingungen: Schwellenverstärkung (engl. „threshold gain“) Merke: im stationären Laserbetrieb entspricht Verstärkung exakt γ t 6 Wiederholung

Beim optischen Pumpen ist die Pumprate vom Grundzustand in das obere Laserniveau: Pumpleistung P pump, Querschnitt A p und Länge L g des Verstärkunsmediums Die Absorptionseffizienz η a berücksichtigt den Teil der Pumpstrahlung, der im Pumpband E 3 absorbiert wird. Die Energietransfer-Effizienz η t quantifiziert den Teil der Atome, die in ein Subniveau von E 3 angeregt werden und dann das oberer Laser-Niveau bevölkern (anstatt direkt in niedrigere Niveaus zu relaxieren). Optisches Pumpen- Pumpeffizienz - Pump-Photonenenergie Die gesamten Resonator-Umlauf-Verluste Auskoppelverluste ( l out = 1 - r 1 r 2 ) parasitäre Verluste 7

Pump-Schwelle, Kennlinien-Steilheit (slope efficiency) Laser Eingangs-Ausgangs Leistungsbeziehung : Kennlinien-Steilheit. Pump-Schwell-Leistung Schwell-Leistung Kennlinien-Steilheit 8

Verschiedene Lasertypen Verschiedene Festkörperlaser: Lasertypen Nd 3+ :YAG (hohe Leistungen, λ 21 = 1064 nm) Ti 3+ :Al2O3 (Ti:Saphir, abstimmbar, λ 21 = nm) Gaslaser: HeNe-Laser (cw Laser (1960!), λ 21 = nm, 1.15 µm) Excimerlaser Farbstofflaser (vibronische Zustände, abstimmbar im VIS) Halbleiterlaser (höhere Bandzustände, elektrisch pumpen! 9

Verschiedene Lasertypen Laser-Medium  kleiner Energieabstand zwischen und breites Pumpband und hoher Übergangsquerschnitt effizienter Energietransfer von |3> zu |2>; großes τ 2, kleines τ 1 Resonator-Design  kleine parasitäre Resonatorverluste optimales Auskoppeln; Anpassung des Laser-Strahlquerschnitts mit dem Pumpvolumen Voraussetzungen: 10

Laser simulation phet.colorado.edu/en/simulation/lasers

Im Handel erhältliche Laser Die folgende Grafik zeigt eine Übersicht über Wellenlängen von im Handel erhältlichen Lasern. Lasertypen mit diskreten Laserlinien sind oberhalb und durchstimmbare Laser unterhalb der Leiste der Wellenlängen eingetragen. Die Farbe gibt die Art des Lasermaterials an: Festkörper, Gas ( z.B. Metalldampf), Farbstoff. Inhalt z.T. frequenzverdoppelt!

Gas-Laser Ein Gaslaser ist ein Laser, dessen Resonator mit Gas (z.B. HeNe) gefüllt ist. Es dient als aktives Medium zur Erzeugung hoher Strahlungsleistungen in einem weiten Spektralbereich, vom Ultraviolett bis ins ferne Infrarot. Das Pumpen des Lasers erfolgt meist durch elektrische Gasentladung, die Entladungsströme reichen von einigen mA bei kontinuierlicher Anregung bis zu kA bei Impulsanregung. Der erste Gaslaser (HeNe), wurde 1960 von Ali Javan und William R. Bennett entwickelt. Derzeit werden Gaslaser insbesondere durch Festkörperlaser und Halbleiterlaser aus ihren klassischen Anwendungsfeldern verdrängt. Inhalt

Helium-Neon-Laser Er besteht im Wesentlichen aus einem dünnen Glasröhrchen in welchem sich ein Helium-Neon- Gasgemisch befindet. Das Gasgemisch steht unter einem Druck von ca. 1 mbar. An den Enden befinden sich meist noch sog. Brewsterfenster (Fenster im Brewster-Winkel, die linear polarisiertes Licht in einer Polarisationsrichtung ohne Verluste durch Reflexion hindurchlassen) oder oftmals auch direkt die Resonatorspiegel. Durch Gasentladung werden freie Elektronen erzeugt, die durch Stöße Heliumatome in höhere Energiezustände anregen. Die Spannungsversorgung der Gasentladung muss zu Beginn 10–15 kV betragen. Es wird eine Strombegrenzung (1–30 mA) des nach der Zündung fließenden Entladungsstromes Benötigt, und die Entladungsspannung nach der Zündung beträgt typisch 1–2 kV. Inhalt

Helium-Neon-Laser Bei einem Helium-Neon-Laser wird das Helium für das Pumpen benötigt, das Neon ist das Lasermedium. Die Heliumatome übertragen durch Stöße ihre Energie auf die Neonatome und erzeugen dort eine Besetzungsinversion zwischen energetisch hohen Zuständen und niedrigen Zuständen. Auf Übergängen zwischen den energetischen Zuständen des Neons wird nun der Laserbetrieb, wie in folgendem Schema dargestellt, möglich. Inhalt

Helium-Neon-Laser Inhalt

Das Lasermedium besteht in der Regel aus einem CO 2 - N 2 -He-Gasgemisch. Die N 2 -Moleküle werden durch eine Gleichspannungs- oder Hochfrequenz- Glimmentladung angeregt. Hierbei handelt es sich um eine tatsächliche kinetische Molekülschwingung. Inhalt

Sind die N 2 -Moleküle angeregt, können sie nur mit zwei diskreten Frequenzen schwingen (ν und 2ν). Da das N 2 - Molekül über kein permanentes Dipolmoment verfügt können sie sehr lange in diesem angeregten Zustand bleiben. Durch die lange Zeit besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie CO 2 -Moleküle durch Stöße anregen –> dies macht die N 2 -Moleküle zu einer Art Energiespeicher. Inhalt

Haben die CO 2 -Moleküle ihre kinetische Energie bis ν 3 verloren, sind sie in der Lage, von diesem metastabilen Zustand aus in die Zustände 2 ν 2 und ν 1 zu fallen und dabei Photonen in den bezeichneten Wellenlängen zu emittieren. Es wird vorwiegend die Wellenlänge um 10,6 µm emittiert. Nach diesem Vorgang fallen die CO 2 -Moleküle wieder in einen metastabilen Zustand. Durch den Zusammenstoß mit Helium-Atomen geben sie ihre kinetische Energie an diese ab und fallen wieder in den Grundzustand. Dies ist der große Vorteil des CO 2 -Lasers gegenüber dem Helium-Neon-Laser, bei dem die angeregten Moleküle mit der Wand kollidieren müssen, um in den Grundzustand zu gelangen. Inhalt

Festkörperlaser Als Festkörperlaser werden bezeichnet, deren aktives Medium aus einem kristallinen oder amorphen Festkörper besteht. In diesem sogenannten Wirtsmaterial oder Wirtskristall sind in bestimmter Dotierung die laseraktiven Ionen, die das eigentliche aktive Medium des Festkörperlaser sind, enthalten. Um im aktiven Medium eine Energieaufnahme zu erreichen, müssen Elektronen, mit Hilfe von Strahlung, auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Dieser Vorgang heißt Pumpen. Inhalt

Festkörperlaser Die Betriebsart kann kontinuierlich („continuous wave“, cw) oder gepulst sein. Die Pulsung kann durch das Pumpen oder einen Resonator-internen optischen Schalter erfolgen. Kommerziell sind typischerweise Laser mit einiger Nanosekundenpulsen und Megawatt Spitzenleistung erhältlich. In der Forschung: Femtosekundenpulse, Spitzenleistung Petawatt (10 15 W) Mit Festkörperlasern lassen sich die höchsten Spitzenleistungen und die kürzesten Impulsdauern aller Laserarten erzeugen. Inhalt

Nd: YAG-Laser Inhalt

Titan: Saphir-Laser Der Ti:Sa-Laser ist ein durchstimmbarer Laser, dabei ist die Wellenlänge über einen weiten Bereich einstellbar. Dies ist möglich, weil es im Ti:Sa-Kristall mehrere mögliche Laserübergänge gibt, hier handelt es sich um unterschiedliche Schwingungszustände der Atome. Der Absorptionsbereich des Kristalls liegt bei etwa 370–670 nm, mit einem Maximum bei etwa 500 nm. Dazu werden die Titan:Saphir-Laser von einem frequenzverdoppelten Laser (Nd:YAG- Laser (532 nm)) optisch gepumpt. Bei einer Pumpleistung von 5 bis 10 W wird beim Ti:Sa-Laser eine Lichtleistung von 500 mW erzielt. Bei modengekoppelten Ti:Sa-Lasern liegt die typische Pulsdauer zwischen 50 und 200 fs. Mit aufwendigen Resonatoren lassen sich Pulsdauern bis herunter zu <10 fs erzielen. Inhalt

Titan: Saphir-Laser

Vom angeregten Zustand B relaxiert der Kristall in den Zustand C. Von dort erzeugt der Übergang in das vibratorische Band D des elektronischen Grundzustandes eine breitbandige Emission (und Laser Verstärkung). Titan Saphir (Ti:Al 2 O 3 ) Laser

Breitbandiger Titan:Saphir Laser

energy [eV] delay [fs] energy [eV] Die kürzesten Laserpulse der Welt M. Schultze et al (MPQ), J. Kim & D. Kim (POSTECH, Pohang), New J. Phys. 9, 243 (2007)

Halbleiterlaser Die elektronischen Energieniveaus in Halbleitern sind richtungsabhängig und werden als Bänder bezeichnet. Das höchste gefüllte Band wird Valenzband und das niedrigste ungefüllte Leitungsband genannt. Beide Bänder sind durch die Bandlücke getrennt, die für Halbleiter im Bereich zwischen 0,1 bis 3 eV liegt. Thermische oder optische Anregung kann die Energie eines Elektrons derart ändern, dass es vom Valenzband in das Leitungsband übergeht, wobei eine positive Ladung ( Loch) im Valenzband entsteht. Der umgekehrte Prozess der Rekombination eines Elektrons aus dem Leitungsband mit einem Loch ist ebenfalls möglich und verläuft unter Energieabgabe (Emission eines Photons). Das Valenzband ist bei T = 0K vollständig mit Elektronen gefüllt. Energie Ea und Eb als Funktion des Betrages des Wellenvektors k (entspricht dem Impuls)eines Elektrons im Leitungsband und im Valenzband. Der maximale Wert von k ist durch den Gitterabstand g gegeben (k = 2π/g). Die Symbole [111] und [100] geben jeweils eine bestimmte Raumrichtung im Kristall an (Millersche Indizes). Inhalt

29 Grundlagen des Halbleiter-Lasers Bändermodell für die Energiezustände der Elektronen Energie Leitungsband = tiefstes leeres oder teilweise besetztes Band (bei T = 0 K) Energielücke E g (energy gap); im Halbleiter E g = 0, eV Halbleiter: durch thermische Anregung bei 300 K schwache Besetzung des Leitungsbandes mit Elektronen und entsprechende freie Zustände (Löcher, Defektelektronen) im Valenband; beide können zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen. Valenzband = oberstes vollständig besetztes Band

Dotierte Halbleiter Durch Dotierung mit Fremdatomen wird die elektrische Leitfähigkeit erhöht  p-Dotierung: Donatoren geben Elektronen ins Leitungsband ab.  n-Dotierung: Akzeptoren nehmen Elektronen aus dem Valenzband auf. Leitungsband Valenzband Donator- niveau Defekt- elektron Inhalt

Halbleiterlaser: stark dotierte Diode stimulierte Emission durch Besetzungsinversion in einer stark dotierten p-n-Grenzschicht glatte Stirnfläche dienen als Resonatorspiegel großer Brechungsindex ∼ 3,5 (hohe Reflexion) aber: hohe Verluste (Selbstabsorption) erfordern kompliziertere Geometrie:  Wellenleiterstruktur  Einengung der Inversionszone Prinzip des Halbleiters: Inhalt | gefüllt mit Elektronen wegen starker Dotierung gefüllt mit Löchern | Zone mit Elektron-Loch- Rekombination ⇒ stimulierte Emission

32 Optimierung durch Schichtstrukturen Einstellen der Bandlücke von dünnen Schichten durch Materialauswahl

Halbleiterlaser am Beispiel des BMW Laserlichtes Das Pumpen von Festkörperlasermaterialien mit Laserdioden ergibt kompakte Laserquellen, die mit gutem Wirkungsgrad und hoher Strahlqualität arbeiten. Die Strahlung von Laserdioden kann gut in Glasfasern eingekoppelt werden, so dass sich aus dieser Kombination neue Möglichkeiten für den Aufbau von Lasersystemen mit interessanten Eigenschaften ergeben. Ein Beispiel dafür ist das Laserlicht von BMW. Inhalt

Diodengepumpte Laser (BMW) Beim Pumpen mit Diodenlasern wird die Strahlung einer Laserdiode mit Hilfe von Linsen (Primary optics) longitudinal oder transversal in das Lasermaterial eingestrahlt. Die Pumpstrahlung wird durch Glasfasern (Optical Fibre) auf das Lasermaterial gebracht und dringt tief in das Lasermaterial (Phosphor Assembly) ein und wird nahezu vollständig absorbiert. Dabei sendet der Phosphor, Photonen aus die auf dem Spiegel (Secondary optics) auf die Fahrbahn (Far-field) abgelenkt werden. Inhalt

Diodengepumpte Laser (BMW) Diese Art von Lasern werden in Zukunft immer häufiger in Autos verbaut und bieten auch einige Vorteile gegenüber Xenon oder LED-Scheinwerfern. Inhalt

Faserlaser

Aufbau: linearer Resonator mit Endspiegeln oder Ring-Resonator (=Faser-Ring): Der Umlauf im Resonator, der sonst durch Spiegel realisiert wird, wird als Faserring aufgebaut. Lasermaterial: dotierte Glasfaser mit Seltener Erde z.B. Erbium Pumpen: mit Diodenlaser Einkoppeln am Endspiegel oder mit WDM Coupler

Faserlaser Lasergläser lassen sich zu dünnen Glasfasern ausziehen, die durch eine Endfläche vorzugsweise mit Dioden optisch gepumpt werden können. Derartige Faserlaser emittieren beugungsbegrenzte Grundmodenstrahlung, falls eine single- mode-Faser verwendet wird. Wegen der großen Oberfläche der Faser im Verhältnis zum Volumen findet eine gute Wärmeabfuhr statt, so dass keine zusätzliche Kühlung derartiger Faserlaser notwendig ist. Inhalt

Aufbau von Faserlasern Ein Faserlaser besteht aus einer oder mehreren Pump-Laserdioden, einer Einkoppeloptik und einem Resonator. Die Faser besteht typischerweise aus mehreren Schichten. Der Hauptteil ist meistens aus Quarzglas umgeben mit einer dünnen Schutzschicht aus Kunststoff. Der aktive Kern ist viel dünner und besteht aus dotiertem Quarzglas. Der Brechungsindex der Schichten nimmt von innen nach außen ab; so entsteht die Lichtführungseigenschaft. Der Resonator besteht entweder aus zwei zusätzlichen Spiegeln, die beispielsweise die beiden verspiegelten Faserendflächen sein können, oder aus Faser-Bragg-Gittern (FBG). Inhalt

Selbstgebauter Faserlaser

Farbstofflaser

Ti:Sapphire Oscillator sub-10 fs pulse duration 4.6 nJ energy 82 MHz repetition rate CPA Amplifier 20 fs pulse duration 3 mJ energy 4 kHz repetition rate Hollow Fiber/ Chirped Mirror Pulse Compressor <3.5 fs pulse duration >1 mJ energy Experiment Kerr-Linsen Modenkopplung CPA SPM High-power lasers in multiple stages

Ti:Sapphire Oscillator sub-10 fs pulse duration 4.6 nJ energy CPA Amplifier 20 fs pulse duration 3 mJ energy Kerr-Linsen Modenkopplung CPA Why not a single stage? Repetition rate of the oscillator??? Pulse energy of the oscillator-pulses? Limitation? Solution?

High-power lasers in multiple stages Gleiche Medien (Ti:Sa + Ti:Sa) oder auch Faseroszillator z.B. bei 1550 nm, frequenzverdoppeln und mit Ti:Sa Verstärker verstärken.