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

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

Laser : Grundlagen aktive Medien : Energiequellen : Resonator : Gas (HeNe, Ar+, CO2) 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

Laser Theorie Laseremission, wenn N2>N1 (Besetzungsinversion) () -Verstärkung im aktivenMedium  -Verluste durch Absorption und Beugung Intensität im Resonator (vgl. Lambert-Beer) : Thermische Besetzung : Frequenz des Lasers : Laseremission, wenn N2>N1 (Besetzungsinversion) und -2()L -  > 1 (Verstärkung).

Modenspektrum eines Lasers (Longitudinale Moden)

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

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

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

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

Halbleiter-Laser Freier Spektralbereich : Wellenlängenänderung durch: (0,3nm@1µm) => Wenige Moden innerhalb des Verstärkungsprofils von 1-2nm Freier Spektralbereich : Injektionsstrom Temperatur (externe Rückkopplung) Wellenlängenänderung durch:

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

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

Lyot Filter, Birefringent Filter Transmission : Freier Spektralbereich:

Spektralbereiche Röntgenlaser, gepulst 1 nm – 100 nm VUV, XUV Typische Diodenlaser: Übersicht und Beispiele für Laser : Röntgenlaser, gepulst 1 nm – 100 nm VUV, XUV Frequenzverdopplung 100 nm – 400 nm UV HeNe (630 nm), Farbstoff, Diodenlaser 400 nm – 800 nm Optisch Diodenlaser, TiSa (800-1100 nm) 5 µm – 800 nm Nahes IR CO2 (10,6 µm) 50 µm – 5 µm Infrarot CH3F (496 µm) 1 mm – 50 µm Fernes IR

Frequenzverdopplung Erweiterung des Wellenlängenbereiches für cw-Laser in den UV-Bereich mittels nichtlinearer Kristalle Erhöhung der Konversionseffizienz durch eine Resonatorkonfiguration z.B. 2.2 W @ 778 nm  200 mW @ 389 nm

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

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 Kommerzielles Wavemeter (Burleigh WA 1000) Einfaches Wavemeter

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

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

Allan Varianz - Theorie Messwerte {y1,y2,...,yN} : Mittelwert : Varianz : Divergiert für N : herkömmliche Standardabweichung nicht geeignet für Aussage zur Stabilität. Paarvarianz : Allan, Barnes (1966) : Lösung : Vergleich benachbarter Messungen

Allan Varianz - Praxis  Messung der Stabilität eines Lasers in unterschiedlichen Zeitbereichen Stabilitätsbereiche: Kurzzeitbereich : weißes Rauschen (-1/2) 1/f – Bereich : horizontaler Bereich (0) Langzeitbereich : lineare Drift (1) z.B. Frequenzstabilität atomarer Springbrunnen :  = 10-14-1/2

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

Stabilisierung durch Rückkopplung Littrow Winkel : Linienbreitenreduktion :

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

Typisches stabilisiertes Lasersystem besteht aus : Ar+-Laser gepumpter TiSa-Laser, stabilisiert mittels Pound-Drever-Hall- Methode auf einen Hochfinesse-Resonator Werte des Lasersystems : Finesse des Resonators : F= 236000 (!) Linienbreite des Lasers : < 100 Hz Rohde (Blatt Group, Innsbruck)

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