Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

Präsentation zum Thema: "Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ"—  Präsentation transkript:

1 Dubbers Physik IV SS 2010 7. Laser und Spektroskopieﴀ
7. Laser und Spektroskopie Laser Kohärenz Spektroskopie 16 Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

2 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) Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

3 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 Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

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

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

6 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 Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

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

8 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: Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

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

10 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: Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

11 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. Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

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

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

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

15 Unbestimmtheit und Interferenzfähigkeit
Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

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

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

18 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.). Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

19 Absorptions-Spektroskopie
Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

20 Sättigungs eines Übergangs
Laser Probe Besetzung N2 N1 Laserleistung Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

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

22 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 ! Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

23 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. Dubbers Physik IV SS Laser und Spektroskopieﴀ

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