Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
1
Licht, Atome, Moleküle, Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 Eigenschaften von Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Atome: Elektronenbahnen, Energieniveaus . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Atome mit mehreren Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Energieniveaus in Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Energiebänder in Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
7
9
12
16
19
26
2
Absorption und Emission von Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Spontane Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Lichtverstärkung durch induzierte Emission . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Linienbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Inversionserzeugung und -abbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Lichtemission durch beschleunigte Elektronen . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Aufbau von Lasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Zeitliches Emissionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
29
32
32
35
39
42
43
46
52
3
Lasertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 Wellenlängen und Ausgangsleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Abstimmbare Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Frequenzstabile Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Hochleistungslaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Ultrakurze Lichtimpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Laserparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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57
60
62
63
64
65
67
4
Laserübergänge in neutralen Atomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1 Helium-Neon-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Metalldampf-Laser (Cu, Au) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Jodlaser, COIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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69
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80
81
VIII
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5
Ionenlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1 Laser für kurze Wellenlängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Edelgasionenlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Metalldampfionenlaser (Cd, Se, Cu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
83
85
90
93
6
Infrarot-Moleküllaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1 Ferninfrarot-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 CO2 -Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 CO-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 HF-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
95
98
112
114
119
7
UV-Moleküllaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1 Stickstofflaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Excimerlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
121
122
124
132
8
Farbstofflaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1 Eigenschaften von Farbstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 Anregung durch Blitzlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 Anregung durch Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133
133
135
136
141
9
Festkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1 Rubinlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 Neodym-YAG-Laser und Alternativen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3 Glaslaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 Erbium- und Holmiumlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5 Abstimmbare Festkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6 Farbzentrenlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7 Diodengepumpte Laser, Scheiben- und Faserlaser . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
143
144
148
156
158
162
169
172
177
10 Halbleiterlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Lichtverstärkung in pn-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 GaAlAs- und InGaAsP-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Bauformen von Diodenlasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 Emissionseigenschaften von Diodenlasern . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Frequenzabstimmung von Diodenlasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6 Oberflächenemittierende Diodenlaser (VCSEL) . . . . . . . . . . . . .
10.7 Halbleiterlaser für tieferes Infrarot und THz-Strahlung . . . . . .
10.8 Violette, blaue und grüne GaN-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.9 Halbleiterlaser für die Telekommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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181
183
185
195
200
207
209
212
214
215
Inhaltsverzeichnis
IX
11 FELs, kohärente Röntgen- und Atomstrahlen . . . . . . . . . . . . .
11.1 Elektronenstrahllaser (FEL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 Röntgen- und VUV-Laser mit hochionisierten Atomen . . . . . .
11.3 Kohärente Atomstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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218
223
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229
12 Ausbreitung von Lichtwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.1 Ebene und Kugelwellen, Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2 Gauß-Strahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3 Durchgang von Gauß-Strahlen durch Linsen . . . . . . . . . . . . . . .
12.4 Fernrohre und Ortsfrequenzfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5 Ausbreitung realer Laserstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6 Optische Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.7 Optische Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231
231
234
239
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245
251
253
261
13 Optische Resonatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1 Planspiegelresonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2 Hohlspiegelresonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3 Resonatortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4 Instabile Resonatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5 Laser mit Grundmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
265
265
268
272
276
277
279
14 Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1 Reflexion und Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2 Metallspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3 Dielektrische Vielschichtenspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4 Strahlteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.5 Phasenkonjugatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
281
282
286
286
292
293
298
15 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1 Arten der Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2 Doppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3 Polarisatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
299
299
301
303
306
16 Modulation und Ablenkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1 Mechanische Modulatoren und Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2 Akustooptische Modulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3 Elektrooptische Modulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.4 Optische Isolatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.5 Sättigbare Absorber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
307
307
308
311
314
316
317
X
Inhaltsverzeichnis
17 Pulsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1 Relaxationsschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2 Güteschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3 Puls-Auskopplung (cavity-dumping) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4 Modenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.5 Verstärkung und Kompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
319
320
322
326
327
334
337
18 Frequenzselektion und -abstimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1 Frequenzabstimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2 Longitudinale Modenselektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3 Prisma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.4 Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.5 Fabry-Perot-Etalon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.6 Doppelbrechende Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
339
339
340
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344
346
348
349
19 Frequenzumsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1 Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2 Nichtlineare optische Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3 Frequenzverdopplung und -vervielfachung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.4 Parametrische Verstärker und Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.5 Stimulierte Ramanstreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.6 Kontinuumserzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.7 Erzeugung hoher Harmonischer in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
351
351
352
353
357
359
362
363
366
20 Stabilität und Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.1 Leistungsstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.2 Frequenzstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3 Schrotrauschen, Squeezed States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.4 Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
367
367
369
372
374
377
21 Photodetektoren und Energiemessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1 Messtechnische Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2 Thermische Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3 Vakuumphotodetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.4 Halbleiterdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.5 Messung ultrakurzer Lichtpulse mit Autokorrelator
und FROG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
379
379
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390
391
Inhaltsverzeichnis
XI
22 Spektralapparate und Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1 Prismenspektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2 Gitterspektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3 Zweistrahlinterferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.4 Fabry-Perot-Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.5 Optisches Überlagerungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
393
393
394
396
397
399
400
23 Anwendungen und Entwicklungspotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1 Nachrichtenübertragung mit Glasfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2 Materialbearbeitung mit Lasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.3 Laser in der Medizin und Biophotonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.4 Kernfusion mit Lasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.5 Wissenschaftliche Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.6 Holographie und Interferometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.7 Lichtstreuung zur Strömungsmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.8 Laser in Geräten und Gebrauchsgütern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.9 Perspektiven der Laserentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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431
432
440
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24 Sicherheit von Laser-Einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.1 Grenzwerte für das Auge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.2 Laser-Schutzbrillen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.3 Laserklassen und Gefährdungspotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.4 Sicherheitsvorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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448
449
451
451
Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485