Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ 7. Laser und Spektroskopie 7.1 Laser 2 7.2 Kohärenz 11 7.3 Spektroskopie 16 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Atom mit Grundzustand A, angeregtem Zustand A*, im starken Lichtfeld mit ħω = ΔE: Wenn spontane Emission vernachlässigt: Anregung durch stimulierte Absorption: Photon + A → A* Abregung durch stimulierte Emission: Photon + A* → A + 2 Photonen Bei Abregung wird Photonenzahl verdoppelt, und zwar jeweils in Vorwärtsrichtung Wenn anfangs alle Atome im angeregten Zustand sind, dann ist im Prinzip eine "Kettenreaktion" möglich 1 → 2 → 4 → 8 → … → 2n Photonen LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (vgl. Kernreaktor: 1 → 2 → 4 → 8 → … → 2n Neutronen) 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Ratengleichung Absorption: Emission: spontan: induziert: A* A N2 N1 A* A N2 N1 A* A N2 N1 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Pumpen eines 4-Niveau Lasers A* kurzlebig langlebig N2 > N1 Pumpen LASER kurzlebig N1 A stabil oder: aktives Medium 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Beispiel: He-Ne Laser Helium Neon He* + Ne → He + Ne* 4p 3p 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ p n z Dioden Laser durch Stromzufuhr im Leitungsband Besetzungsumkehr der Elektronenzahl N2 > N1: Laser z Diode in Sperr-Richtung Halbleiter-Diode mit kleiner Bandlücke: Elektronen rekombinieren unter Emission von Photonen; diese induzieren stimulierte Emission weiterer Photonen aus dem Leitungsband. Die Grenzschicht mit den polierten Endflächen bildet den Resonator. Leitungsband: N2 Valenzband: N1 ΔE (ohne Laserwirkung: LED = light-emitting diode) E 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Schwellwert-Bedingung z plus Beugungsverluste Auskoppel-Verluste 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Resonator <100% z→ Die Schwellwert-Bedingung ist nur zu erfüllen in einem optischem Resonator. Dieser ist sehr effektiv, da die stimulierte Emission immer in Vorwärtsrichtung geht, dh. entlang der Resonatorachse z. (Photonen = Bosonen, die bevorzugt in den gleichen Zustand wie schon vorhandenes Boson gehen.) Laser als Amplifier: 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Resonator-Moden Brechungsindex n↑ 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Etalon ↓ Ein-Moden Laser Wenn ein frequenz-selektives Element hinzugefügt wird Laserspektrum = ursprüngliches Spektrum × Spektrum der Resonatormoden × Schwellwertbedingung × Durchlasskurve des frequenzselektiven Elements Etalon, dh. ein zweiter Resonator, als frequenzselektives Element: 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ 7.2 Kohärenz ↓ z Frequency selection ψ1 ψ2 z Δz Verlust der longitudinalen Kohärenz bei zeitlichem Versatz der beiden Amplituden ψ1, ψ2 des Photons. 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Grösse der Lichtquelle Quelle Q Schirm S d' B ½Δx ax d ½ax A g L Grösse der Lichtquelle 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Kohärenzvolumen 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Phasenraumzelle Quelle Schirm ax Δx φ L pz φ Δpx p Phasenraumzelle: Δp h Δx 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Unbestimmtheit und Interferenzfähigkeit 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Laser ν Probe Absorptionsspektrum: Option: Spektralapp.: (heute weniger:) Emissionsspektrum: 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Rotverschobene Spektren Emissionspektren haben gegenüber Absorptionsspektren mehr Linien. Diese sind im allgemeinen rotverschoben. 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ Raman Spektroskopie Ausnahme von Rotverschiebung: Antistokes-Linien von Molekülen, die sich bereits in thermisch angeregten Rotations/Vibrationszuständen befinden (nächstes Kap.). 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Absorptions-Spektroskopie 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Sättigungs eines Übergangs Laser Probe Besetzung N2 N1 Laserleistung 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dopplerfreie Spektroskopie υz υ durchstimmbarer Atom Laser, Frequenz ω Resonanz bei ω0 Anzahl N1 der Atome Lochbrennen ↓ Δω δω 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ "Lamb-dip" z Laser Probe Spiegel Trick: Laser durchdringt die Probe zweimal von links und von rechts (Spiegel): Wenn ω ≠ ω0: nur die Atome, die zufällig die richtige Geschw. ±υz haben sind resonant. Wenn ω = ω0: nur die Atome, die zufällig stillstehen, υz = 0, sind resonat. Nur halb so viele Atome sind resonant, aber sie sehen gleichzeitig das Licht von links und von rechts, d.h. die doppelte Intensität pro Atom. Wegen Sättigung des Übergangs bringt die doppelte Intensität aber nicht die doppelte Zahl der Übergänge, d.h. mit ω nahe ω0 hat man ein kleineres Absorptionssignal als mit ω fernab von ω0. Dh. bei ω ≈ ω0 ist die Absorption geringer (die Transmission grösser) und der dadurch entstehende Lamb-Dip hat natürliche Linienbreite δω = 1/τ ! 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Experiment Sättigungs-Spektroskopie NB: Hin- und rücklaufender Strahl brauchen nicht dieselbe Intensität zu haben. Der hier gezeigte, weniger intensive rücklaufende "Probestrahl" misst das beschriebene Sättigungsverhalten der Probe aus. 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ

Messergebnis Sättigungs Spektroskopie Optischer Übergang zum Grundzustand des Rubidium-Atoms (F' = I ± ½): Auflösung der Hyperfeinstruktur 18.09.2018 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ