Laser - DHBW Mosbach
Werbung
(1) Optik - 2. Teil : Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Eine besondere Art von Licht Industrielle Nutzung und typische Bauformen Erzeugungsprinzip : Laser-Licht versus konventionelles Licht Herstellung von Inversion - Pumpprozesse - Resonatoren - Statistik Bedeutung Inversion (2NS) Thermische Anregung + Boltzmannverteilung Bedeutung Resonator für Lawinenprozess Beschreibung Laserdynamik durch Ratengleichungen Übergang zu 3-Niveau- und 4-Niveau-Systemen Exkurs: Herleitung Plancksche Strahlungsformel Spezielle Laser-Systeme Festkörper-Laser Gas-Laser Exzimeren-Laser Halbleiter-Laser Faser-Laser, EDFA ............. Industrielle Nutzung des Lasers Mikromechanische Präzisionsbearbeitung (2) Nutzung der geringen Divergenz und ultrakurzen Pulsdauer Unterschiedliche Strahlprofile für unterschiedliche Nutzungsfelder, zB : Kreisförmig : - Präzisions-Wekstoff-Bearbeitung - Beschreiben von Material Linienförmig + Rechteckig : - Materialabtragung und Strukturierung, Reinigen, Isolieren - Pumpstrahl für Festkörperlaser Schweißen + Strukturieren + Markieren + ...... Industrielle Nutzung des Lasers Mikromechanische Präzisionsbearbeitung (3) Industrielle Nutzung des Lasers Beschriftungstechnik Markierung aller Bauteile ist für die modere Produktion essentiell - zB in Automobilindustrie: Total Quality Management bedingt Rückverfolgbarkeit aller Prozessschritte und dabei verwendeter Bauteile bis in die Einzelkomponenten auch beim Zulieferer und dessen Produktion. Markierungen (mit 25 W ohne Mikrorisse) auch auf Kunststoff, Keramik, Glas möglich (Autoglas, Medizingeräte, Fenster, elektronische Bauteile, ... ) (4) Typische kommerzielle Bauformen Halbleiterlaser (5) Festkörperlaser Laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (1960) Licht : Dualismus Welle-Teilchen (6) → Für Laserprozess Teilchenaspekt im Vordergrund Ausbreitung : Wellencharakter markant Wechselwirkung mit Materie : Teilchencharakter markant → Photonen E = h·f Einstein (1917) → Zwei Arten der Relaxation angeregter Atome in Grundzustand mit Photonenemission 1. Spontane Emission : Inhohärent Photonen spontan (unkorreliert) emittiert. Emissionen unabhängig voneinander und ungericht. ⇒ Photonen ohne feste Phasenbeziehung 2. Induzierte (stimulierte) Emission : ⇒ inkohärentes Licht (thermische Lichtquellen) Kohärent → Laser E 2 − E1 = h ⋅ f Photon Angeregtes Elektron durch Wechselwirkung mit anderem Photon zu Sprung auf tieferes Energieniveau angeregt. Dabei Photon emittiert. Nur möglich, wenn atomare Energiedifferenz = Energie vorbeilaufendens Photons. Induziertes Photon und einlaufendes Photon sind ununterscheidbar, haben dieselbe Richtung, Frequenz und Phase ⇒ Perfekte "Kopie" des vorbeilaufenden Photons erstellt ⇒ Kohärentes Licht E2 E1 (7) Laser : Typen und Anwendungsgebiete Typ ... stecknadelkopfgroß bis gebäudefüllend ... Leitstung + Betrieb Anwendungen Helium-Neon bis 100 mW, cw Vermessen, Justieren Halbleiter-Laser bis 200 mW, cw CD, DVD, Laserdrucker, Scanner, Barcode Excimer-Laser bis 1012 W, pulse UV-Lithogr., Bearbeitung Kunststoff Neodym-Laser 1 kW cw, 1010 W pulse Löten, Schweißen, Medizin CO2-Laser 20 kW cw, 1014W pulse Löten, Schweißen, Militär 1. Hohe Kohärenz : Vergleich: Kernkraftwerk 1,4·109 W Unterschiede Laserlicht - "normales" Licht : Phasengleichheit von stimulierendem + erzeugtem Photon. 2. Kurze Pulsdauer : Abstrahlung kontinuierlich oder gepulst. Normale Laserpulse 10-3 s - 10-9 s. Ultrakurze Pulse mit 10-15 s (fs) möglich → Nutzung zur Datenüberragung in Glasfasern mit hoher Datenrate 3. Hohe Leistung : Extrem hohe Leistung (1014 W) + Intensität (1022 W/m2) für sehr kurze Zeit 4.Geringe Strahldivergenz + hohe Fokussierbarkeit : Laserstrahlen verlassen Laser parallel zur Laserachse. Stark gebündelt, nur geringe Divergenz auch auf große Entfernung (Vermessungstechnik). Minimale Strahldivergenz durch Beugung festgelegt. Extrem stark bündelbar bis zu Punkt-Durchmessern von Größe λ (DVD + CD, Laserdrucker, Laserskalpell) 5. Geringe Spektralbreite : Linienbreite Δ f bis auf wenige MHz begrenzbar (Δ f / f ≈ 10-7), dh nahezu monochromatisch (8) Eigenschaften des Lasers Laser Gründe: 1. Photonenerzeugungs-Prozess Intensität 2. Auslegung des Resonators Monochrom = schmales Spektrum λ Große Kohärenzlänge Konventionelle Lichtquelle Intensität polychrom λ Kleine Kohärenzlänge Parallel, hohe Energiedichte, kleine Winkeldivergenz, gut zu bündeln Divergent, niedrige Energiedichte Laserlicht bleibt auch über lange Strecken interferenzfähig und läßt sich gut bündeln. Divergenz nur durch unvermeidbare Beugungseffekte bei Strahlaustritt begrenzt. Laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (1960) Energie Energie E2 h·f Absorption von Licht zur elektronischen Anregung: Photonen "geschluckt" h·f E1 E1 Im thermischen Gleichgewicht befinden sich die meisten Elektronen im Grundzustand Energie E2 (12) Pump-Mechanismus (zB Strahlung) befördert einige Elektronen in angeregte metastabile Niveaus Energie E2 E2 h·f h·f h·f h·f E1 Angeregte Atome kehren strahlend = Aussendung Photon in Grundzustand zurück E1 h·f Verstärkungsprozess: Ein Photon läuft ein, zwei Photonen laufen aus ....... E 2 − E1 = h ⋅ f Ph Einlaufendes Photon induziert Rückkehr eines Elektrons zurück in Grundzustand ⇒ Erzeugung eines weiteren Photons ⇒ Induzierte Emission: Photon wird dupliziert (Umkehrung der Absorption) (13) Breite von Spektrallinien - Natürliche Linienbreite Energie E2 Intensität ΔE ⇒ Δf Δf h·f = E 2 - E 1 E1 h·f = E 2 - E 1 f Übergang zwischen E-Niveaus = quantenmechanischer statistischer Vorgang ⇒ Unschärferelation begrenzt Schärfe von Übergangsenergien und deren Frequenz : ΔE ⋅ Δt ≥ h ⇔ ΔE ⋅τ ≥ h τ ≈ 10 −8 s : ΔE ≥ h τ 1 ΔE ⋅τ = h ⋅ Δf ⋅τ ≥ h ⇔ Δf ≥ = 1,6 ⋅10 7 Hz 2π ⋅τ Minimale qm. Frequenzunschärfe = Natürliche Linienbreite Aber noch 10x größer : a) Dopplerverbreiterung b) Stossverbreiterung Systemenergie nur exakt bestimmbar bei unendlich langer Messzeit - Angeregte elektronische Zustände aber nur endliche Lebensdauer : τ ≈ 10-8 s - Grössenordnung Energie-Messzeit = endliche Lebensdauer des angeregten Zustands - Nur Grundzustand unbegrenzte Lebensdauer ⇒ Grundzustandsenergie exakt angebbar ⇒ Übergangsenergie + Frequenz nicht exakt angebbar ! Linienform I(f) = zeitliche FourierTransformierte einer zeitlich exponentiell abklingenden Oszillation (14) Laser : Konkurrenz von Absorption und induzierter Emission Besetzungszahlen der Niveaus entscheidend : N1 > N2 : Thermisches Gleichgewicht (ohne "Pumpen") Absorption überwiegt ⇒ Mehrzahl ankommender Photonen absorbiert ⇒ Einlaufende elektromagnetische Welle geschwächt (Dämpfung) N1 < N2 : Besetzungsumkehrt, Inversion (Nur durch Pumpprozess zu erreichen!) Induzierte Emission überwiegt ⇒ Einlaufende elektromagnetische Welle verstärkt Erfordert äußere Energiequelle, die laufend Elektronen auf höhere E-Niveaus hebt! Energie Energie E2 E2 h·f h·f h·f E1 E1 N1>N2 h·f Im Gleichgewicht wird durch Nachpumpen von Energie eine konstante Besetzungeinversion aufrechterhalten N1<N2 Typische Pump-Mechanismen - optisch oder elektrisch Besetzungsinversion kann nicht thermisch erreicht werden! Intensive Lichtquellen: Blitzlampen umgeben Lasermaterial wendelförmig Hohe Spannungen: Beschleunigte Ionen + freie Elektronen übertragen bei unelast. Stoß mit Atomen Anregungsenergie. Ströme: In Halbleiterlasern elektronische Anregung durch Stromfluß (15) Laser : Keine thermische Anregung da Boltzmann-Verteilung Statistische Betrachtungen: System vieler(!) Teilchen, die sich auf verschiedene Energieniveaus verteilen. Mögliche Energiewerte = E1, E2, E3, ...... Anzahl Teilchen pro Energieniveau = N1, N2, N3, .... Unter konstanten physikalischen Bedingungen (konstante Teilchenzahl + Energie) gibt es eine wahrscheinlichste Verteilung, um die herum System nur geringfügig schwankt : Im thermischen Gleichgewicht stellt sich Boltzmann-Verteilung ein : ⎛ − Ei ⎞ N i = const ⋅ exp⎜ ⎟ ⇒ ⎝ kT ⎠ N2 lim =1 ⇒ T →∞ N 1 N 2 = N1 N2 ⎛ E − E1 ⎞ ⎛ ΔE ⎞ exp = exp⎜ − 2 = ⎟ ⎜− ⎟ N1 kT kT ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Optische Frequenzen : ΔE = h·f >> k·T Mikrowellen eher da : ΔE = h·f << k·T Durch thermische Anregung kann keine Besetzungsinversion erreichbar. Maximaler Grenzfall ist Gleichverteilung auf Energieniveaus ! Exponentielle Abhängigkeit von T und Energie !! Energie E Laser : Verstärkung durch Lawinenprozess + geringe Divergenz (16) Energiequelle pumpt die meisten Atome des laseraktiven Materials in metastabilen Zustand Angeregtes Medium zwischen zwei parallelen Spiegeln : Spiegel S1 vollständig reflektierend (R1 ≈ 99%) Spiegel S2 teildurchlässig (R2 ≈ 95%) ⇒ Austritt des Laserlichts durch S2 Parallelspiegel bilden optischen Resonator : Photonen auf Laserachse laufen oft hin und her und regen weitere induzierte Emission an Resonator im Photonenbild : Energiezufuhr S1 Initiales Photon 1x verstärkt Laseraktives Material reflektiert 3x verstärkt usw Verstärkendes 3Niveau-System mit Besetzungsinversion S2 2x verstärkt Laserprozess durch spontan emittierte ungerichtete Photonen ausgelöst. Nur Photonen parallel zur Resonatorachse bleiben durch Reflexion lang genug im Resonator, um durch wiederholte induzierte Emission erheblich verstärkt zu werden ⇒ Geringe Divergenz ! Output reflektiert Spontan em. Photon Nur axialer Strahl läuft viele Male durch Lasermedium und verstärkt sich dabei kontinuierlich … (17) Laser : Enge Linienbreite durch Resonator Wellenbild Im Resonator bildet sich stehende Welle ⇒ Knoten an Resonatorenden c = c0 / n Äquidistante erlaubte Frequenzen : L = m⋅ λ 2 ⇒ fm = m ⋅c 2L ⇒ Δf m = f m +1 − f m = c 2L Frequenzabstand erlaubter Moden Aus ursprünglicher Emissionslinie (größere Breite) werden nur die Wellenlängen verstärkt, die im Resonator stehende Welle bilden ⇒ Ausbildung weniger Moden Beschränkung der Emission auf schmale Linie durch Verkürzung der Resonatorlänge L ⇒ Abstand Δ f möglicher Moden wird so groß, dass nur eine davon im Frequenzbereich möglicher Übergänge liegt. L Nachteil : Kleinerer Resonatorraum ⇒ kleinere Laserleistung Enge Linienbreite ⇒ Große Kohärenzlänge : FT → Schmaler frequenzreiner Linie ("Signal") im Frequenzraum entspricht im Zeitraum sehr lang anhaltende Sinusschwingung (21) Laser : Ratengleichungen S∝ f3 Spontane Emission ist unvermeidbares Hauptproblem der Laserphysik : Verschwendet Anregungsenergie + liefert unkorreliertes, ungerichtetes Rauschen = "Verschmutzung" des Laserlichts Bedeutung der spontanen Emission nimmt ab bei niedrigeren Laserfrequenzen : → Nutzung induzierte Emission im MW-Bereich viel einfacher als im UV oder Röntgen → MASER schon 1958 (Schawlow + Townes), Laser erst 1960 (Rubin-Laser durch Maiman) → HL-Laser ab 1962 (Basov) Induzierte Emissionsprozesse viel seltener (unwahrscheinlicher) als spontane Prozesse ⇒ Konstr. Maßnahmen + geeignete atomare Systeme erforderlich! Begrenzung der Laserleistung : Sättigungseffekte ⇓ Verstärkung nimmt nicht weiter zu, System ist gesättigt Mehr Pumpleistung führt zu keiner Vergrößerung der Ausgangsleistung mehr …………. (22) Laser : Ratengleichungen für Niveau-Besetzungszahlen Anzahl Teilchen N1 N2 in Niveaus unterliegt erzeugenden und vernichtenden Prozessen. Jeder Prozess ändert Teilchenzahl mit Rate : Induzierte Emission : W21 · N2 · n Absorption : W12 · N1 · n Spontane Emission : S · N2 Laserprozess : Teilchenzahl ändert sich ⇒ W12, W21, S = Übergangswahrscheinlichkeiten Induzierte Emission + Absorption durch Photonen ausgelöst ⇒ proportional zur Photonenzahl n Spontane Emission hängt nicht von Photonenzahl n ab. Be- und Entvölkerung Niveaus durch Absorption, spontane Emission, ind. Emission E dN1 = −W12 ⋅ n ⋅ N 1 + W 21 ⋅ n ⋅ N 2 + S ⋅ N 2 dt Absorption + induzierte Emission durch Wechselwirkung mit Strahlungsfeld (Photonen) ⇒ Sind komplementär ⇒ Gleiche Übergangswahrscheinlichkeiten : dN 2 ⇒ = W ⋅ n ⋅ N1 − W ⋅ n ⋅ N 2 − S ⋅ N 2 dt n Sp. Em. h·f Absorption dN 2 dN = − 1 = W12 ⋅ n ⋅ N 1 − W 21 ⋅ n ⋅ N 2 − S ⋅ N 2 dt dt W12 S W21 Ind. Em. 2-Niveau-System : E 2 N2 (t) n E1 W12 = W21 = W N1 (t) (23) Ratengleichungen Im Gleichgewicht herrschen stationäre Verhältnisse mit konstanten Teilchenzahlen : dN i dn =0 =0 dt dt dN 2 ⇒ = W ⋅ n ⋅ N1 − W ⋅ n ⋅ N 2 − S ⋅ N 2 = 0 dt ⇒ W ⋅ n ⋅ N 1 = (W ⋅ n + S ) ⋅ N 2 ⇒ N2 W ⋅n = <1 N1 W ⋅ n + S Folge: In 2-Niveau-System läßt sich durch optische Anregung keine Inversion erreichen - auch wenn n oder W beliebig groß werden ! ⇒ 3-Niveau oder (besser) 4-Niveau-System erforderlich ! QM : Auch für alle anderen Anregungsprozesse gilt stets W12 = W21 : 2-Niveau-System scheitert an seiner Symmetrie : Zu jedem induzierten Prozess gibt es einen Umkehrprozess Nachteil 3-Niveau-System: Vielzahl (>Hälfte) aller laseraktiven Teilchen muß aus Grundzustand zur Inversionserzeugung in Laserzustand angeregt werden ⇒ Energetisch aufwendig ! ⇒ In Praxis : 4-Niveau-System E E3 Pumpprozess 2-Niveau-System läßt sich durch beliebige Pump-Mechanismen nicht zum Lasern bringen ! E2 E1 (24) Laser : Metastabile Niveaus bevölkern ⇒ 3-Niveau-Systeme und 4-Niveau-Systeme E Pumpprozess Rascher Zerfall aus instabilem E3 Zustand zum metastabilen Niveau h·f (3NS 4NS) Instabiles, möglichts kurzlebiges Niveau E2 Laseraktives metastabiles, langlebiges Niveau mit Besetzungsinversion (Elektronen-"Anreicherung") : N 1 < N 2 E1 Grundzustand h·f Energiezufuhr = Pumpen Übergang 3→1 kann in bestimmten Systemen strahlungslos erfolgen - durch Abgabe Differenzenergie als Wärme an Wirtsgitter Forderung für Erreichen Besetzungsinversion : Angeregter Zustand metastabil = langlebiger Zustand (μs), in denen Elektronen viel länger bleiben als in üblichen (ns) angeregten instabilen Zuständen Durch Asymmetrie zwischen Pumpprozess (1→3) und Laserprozess (1→3) lässt sich trotz spontaner Emission Inversion realisieren (25) Laser : 4 Niveau-System Oberer Laserzustand (2) metastabil ⇒ Inversion (21) leicht herstellbar ! Schnelle spontane Relaxationen 3→2 und 1→0 sorgen für Aufechterhaltung der Inversion. Laserübergang in thermisch unbesetzten Zustand 1. S32 Pumpen Unterer Laserzustand (1) unbesetzt oder nur sehr schwach besetzt Instabil 3 2 metastabil W03 S21 Instabil 0 W21 1 S10 Grundzustand Absorption 1→2 vernachlässigbar aufgrund geringer Besetzung von Zustand 1 Effizienzforderung : S32 und S10 möglichst groß – sind nützlich ! S21 möglichst klein Laserzustand muss nicht wie 3NS mit mehr als 50 % Grundzustandsbesetzung gefüllt werden Auch bei relativ schwachem Pumpen stellt sich gewisse Besetzung in 2 ein und damit Inversion gegenüber 1 wenn gilt : S10 >> S21 Anforderung stationärer Betrieb : Keine Anhäufung im unteren Niveau 1, rasche Entleerung ⇒ Übergangswahrscheinlichkeit S10 begrenzt die Effizienz des 4-Niveau-Systems Spektrum eines Schwarzen Körpers : Planck-Formel (1900) (28) Thermische Strahlung eines Schwarzen Körpers im thermisches Gleichgewicht → Modell Schwarzer Körper : Idealer Absorber bei allen Frequenzen und Temperaturen A= Ia =1 T = 0 R = 0 I0 Muss auch Strahlung emittieren, da sonst unendlich viel Strahlungsenergie "angesammelt ⇒ Schwarzer Körper strahlt in ausgedehntem Frequenzbereich ! I em ( f , T ) ∝ n( f , T ) Empirische Gesetze : a) Wiensches Verschiebungsgesetz (1893) f m ( I max ) = const ⋅ T b) Stefan-Boltzmann-Gesetz ∞ I ges = ∫ I ( f , T ) df = σ ⋅ T 4 0 σ = 5.67 ⋅10 −8 GesamtStrahlungsintensität über alle Frequenzen = Frequenz-Integral = Fläche unter Kurve W m2K 4 Herleitungen des Spektralverlaufs auf Basis klassischer Physik gehen von Oszillatoren aus, die jede beliebige Energie annehmen können: Gesetze von Wien und Rayleigh-Jeans versagen jedoch in bestimmten Frequenzbereichen ! Planck-Ansatz : Oszillator-Energien haben nur diskrete Werte h·f ! (29) Einstein (1905): Übergangswahrscheinlichkeiten = Einstein-Koeffizienten Viele 2-Niveau-Systeme mit verschiedenen Werten ΔE W12 S ΔE = E2 − E1 = E Photon = h ⋅ f System im thermischen Gleichgewicht mit Umgebung ⇒ Stationäre Verhältnisse ⇒ N2 = const, N1 = const, N2 / N1 = const, dN2 / dt = 0 T = const ⇒ Ratengleichungen für jedes der 2-Niveau-Systeme : dN 2 = W12 ⋅ n ⋅ N 1 − W 21 ⋅ n ⋅ N 2 − S ⋅ N 2 = 0 dt ⇒ N2 W12 ⋅ n = N 1 W 21 ⋅ n + S = e − E1 e S ⇒ n(T , f ) = W12 ⋅ e h⋅ f kT − W 21 kT =e − ( E 2 − E1 ) kT =e E2 N2 ΔE E1 N1 n = n( T,f ) = Photonendichte des Strahlungsfeldes, das mit dem System im thermischen Gleichgewicht ist. Verhältnis N2 / N1 folgt Boltzmann-Verteilung − E2 Absorption Photonen absorbiert + emittiert mit Energiequanten : W21 Ind. Em. E Sp. Em. Thermische Strahlung eines Schwarzen Körpers → − h⋅ f kT Einsteins Herleitung verbindet Optik, Thermodynamik, Quantenmechanik und Statistik: Überträgt erstmals Plancks QuantenErgebnisse für Hohlraumstrahlung auf gesamten Bereich der atomaren Physik ! kT Durch thermische Anregung T ↑ erhöht sich die Photonendichte: Für T→ ∞ muß auch n(T,f) → ∞ gehen ⇒ Forderung an n(T,f) : Einstein : Übergangswahrscheinlichkeiten S W12 = W 21 ⇒ lim n(T , f ) = ∞ = T →∞ W12 − W 21 ⇒ n(T , f ) = S ⎛ ⎛ hf ⎞ ⎞ W ⋅ ⎜ exp⎜ ⎟ − 1⎟ kT ⎝ ⎠ ⎠ ⎝ *) (30) Komplementarität von Absorption und induzierter Emission : Strahlungsfeld gibt in gleicher Weise Strahlung ab wie es sie aufnimmt ! lim n(T , f ) ∝ Für f → 0 muss experimentell gut geprüftes Rayleigh-JeansGesetz der klassischen Edynamik gelten : f →0 Ansatz Taylor-Reihenentwicklung für exp-Term um f = 0 : ! lim n(T , f ) ∝ 8π f →0 ⇒ n(T , f ) ∝ c3 ⋅ f 2 ⋅ kT 8π h c3 ∝ S hf W⋅ kT ⇒ f3 ⋅ ⎛ hf ⎞ exp⎜ ⎟ −1 ⎝ kT ⎠ Plancksche-Strahlungsformel für thermischen Strahler im therm. Gleichgewicht mit Umgebung 8π c3 ⋅ f 2 ⋅ kT h⋅ f ⎛ h⋅ f ⎞ exp⎜ + ..... ⎟ = 1+ k ⋅T ⎝ k ⋅T ⎠ S 8π ⋅ h 3 ∝ 3 ⋅f W c Je größer f = ΔE / h zwischen atomaren Niveaus desto mehr überwiegt die spontane Emission, desto weniger spielt induzierte Emission eine Rolle W << S IR-Laser = MASER viel leichter realisierbar als UV- oder Röntgen-LASER Planck Schwarzkörperformel The spectral distribution of energy emitted by the sun matches closely that of a blackbody at 5800 K. The discrepancy between the measured and theoretical curves is due mainly to the fact that the photosphere is not in thermal equilibrium. The hump at short wavelengths is due to x rays emitted by the corona, which is at a much higher temperature. Temperatur der kosmischen HintergrundStrahlung T = 2,7.. K (31) Max Planck (32) (37) Spezielle Laser + Materialien Festkörper-Laser Trägersubstanzen : Saphir (Al2O3), Glas, YAG Aktivatoren : ca 0,1 % Cr 3+ (statt Al 3+ = Rubin) : Abs. Blau/Grün Em. Rot Nd 3+ (Nd-Glas + Nd-YAG) : Ideales 4-Niveau-System Problem bei Festkörpern : Energiezustände wegen starker Wechselwirkung zwischen Festkörperatomen unscharf + kurzlebig Lösung : Kristalle oder Gläser als Trägersubstanz mit geringer Konzentration an eingebetteten laseraktiven Atomen ("Aktivatoren") mit unabgeschlossenen inneren Elektronenschalen = Übergangselemente (3d), seltene Erden (4f, 5d). 1. Aufgefüllte äußere Schalen optisch inaktiv, schirmen optisch aktive innere Schalen wirkungsvoll gegen Wechselwirkungen ab ⇒ Schärfere Spektrallinien! 2. Geringe Konzentration der Aktivatoren ⇒ geringe Wechselwirkung ⇒ geringe Linienverbreiterung Laser : Festkörperlaser Blitzlampe S1 Laserstab CW : 10-2 – 10 2 W Pulse : 104 - 10 10 W Prinzipaufbau optisch gepumpter Festkörperlaser (38) Breite oberer Kontinuumszustände erlauben optisches Pumpen mit breitbandigen thermischen Lichtquellen S2 Nd-YAG Rubin, Nd-YAG, Nd-Glas als Lasermaterial : Rubin Nd-YAG Wellenlänge Lebensdauer Inversion Aktivatorkonzentration 694 3000 1,58 1064 240 13,8 Thermische Leitfähigkeit 0,42 0,14 Nd-Glas 1054 300 28,3 0,012 nm μs 1019cm3 W cm-1K-1 Anforderung an Trägersubstanz : Gute optische, mechanische, thermische Eigenschaften (Härte, chem. Stabilität, thermische Leitfähigkeit, Fehlen innerer Spannungen, homogener Brechungsindex) Nachteile : Begrenzte Wärmeleitfähigkeit macht Abfuhr der in Wärme umgesetzten Pumpenergieanteile schwierig ⇒ Frequenz der Laserimpulse (Pulsrate) eingeschränkt Festkörperlaser - typscher Aufbau (39) Resonator aus sphärischen Spiegeln Typischer Aufbau eines Blitzlampen-gepumpten Festkörper-Lasers Vergleich verschiedener Laser-Systeme – die Wirkungsgrade sind sehr unterschiedlich ….. Emissionsspektrim Blitzlampe im Vergleich zum Absorptionsspektrum eines Nd-Lasers. Infolge geringer Überlappung ist Pumpwirkungsgrad gering Nichtlineare optische Effekte am Beispiel Festkörperlaser (40) Lineare Optik : Optische Eigenschaften des Mediums konstant - unabhängig von Temperatur + Intensität des durchlaufenden Lichts → bei geringer + mittlerer Lichtintensität Nichtlineare Optik : Bei hohen Lichtintensitäten + Temperaturen werden optische Materialeigenschaften durch Licht verändert n = n ( I, T ) Erhöhung Brechungsindex n im zentralen Lichtbündel-Bereich hoher Lichtintensität Gaußförmiges Intensitätsprofil mit hoher Intensität im Zentrum des Lasermaterials ⇓ Wellenfronten gekrümmt und Lichtbündel fokussiert : Medium wirkt als Linse ⇓ Sehr hohe Lichtintensitäten im Fokus ⇓ Gefahr der Zerstörung durch Selbstfokussierung bei hoher Lichtintensität ! Laser : Gaslaser Grundsätzlicher Unterschied zu Festkörperlasern Geringe Teilchezahldichten in Gasen ⇒ 1. Geringere Energiedichte im aktiven Material, dafür große Volumina aktiven Materials ⇒ Ausgangsenergie kann sogar größer sein als bei Festkörperlasern ⇒ Optische Eigenschaften ausgezeichnet, laseraktives Material wird kaum zerstört + leicht austauschbar / erneuerbar 2. Geringe Wechselwirkungen der Gasteilchen untereinander ⇒ Spektrallinien viel schärfer als bei Festkörpern ⇒ Sehr momochromatisches Laserlicht erzeugbar 3. Geringe Breite aller Spektrallinien ⇒ Optisches Pumpen zwischen diskreten Zuständen mit breitbandigen thermischen Lichtquellen zur Inversionserzeugung kaum möglich ⇒ Andere Pumpmechanismen nötig !! (41) Laser : Gaslaser → Pumpmechanismen (42) 1. Elektronenstoßanregung Anregung elektronischer Übergänge durch kinetische Energie bei Stößen mit freien Elektronen Wirkungsquerschnitt Elektronenstoßanregung zeigt (im Gegensatz zu optischer Anregung!) keine scharfe Resonanz (Energieabhängigkeit) ⇒ Effektive Anregung (Pumpen) möglich. Praktisch: Anlegen Hochspannung (kV) ⇒ Gasentladung erzeugt schnelle Elektronen 2. Resonanter Energieaustausch Energieaustausch zwischen angeregtem Atom / Molekül und anderem Atom / Molekül : A* + B → A + B* Typische Gaslaser : 1. He-Ne-Laser Erster Gaslaser + erster CW-Laser, einfacher Aufbau Glasrohr Länge = 10 cm, ∅ = 1-4 mm Spannung = 1 kV, Gasentladungsstrom = 10 mA S1 Glasrohr: He + Ne Teilchengemisch He : Ne = 5 : 1 U = 1 kV Druck = mbar Fast perfekte Resonanz zwischen relevanten Zuständen von He und Ne Geringe Leistung ca 1 mW ⇒ schwache Auskopplung an S2 mit R = 0,98 Durch Halbleiterlaser abgelöst …. S2 Gaslaser 2. Edelgas-Ionen-Laser Verwendung ionisierter Edelgasatomen, um große Energieabstände zwischen Laserniveaus zu erhalten ⇒ Kurzwellige Laseremission Wichtigste Vertreter Ar+- und Kr+ - Laser (Holographie, Medizin, Lichteffekte) Leistungen bis 10 kW im CW-Betrieb, 350 nm - 520 nm (UV-Grün) Prinzip wie HeNe - aber viel höhere Stromdichte bei kleinem Ø nötig (>>100 A / cm2) ⇒ Hohe Belastung Wandung durch Ionen mit hoher Ekin ⇒ Aufwendigere Konstruktion + Kühlung Inversion ∝ Stromdichte2 da zwei Elektronenstöße zum Lasern nötig : 1.Stoß zum Ionisieren + 2.Stoß zur inneren elektronischen Anregung und Besetzung Laserniveau ⇒ Betrieb bei hohen Stromdichten ! 3. CO2- Laser O=C=O lineares dreiatomiges Molekül Keine elektronische atomare Anregung, sondern Anregung von Schwingungen des ganzen Moleküls ! Optisch aktive Übergänge zwischen molekularen Schwingungszuständen ⇒ Absorption + Emission im IR Drei CO2 Grundschwingungen (Normalmoden) unterschiedlicher Energie : Unabhängig voneinander anregbar ⇒ Charakterisierung Schwingungszustand durch Angabe der Schwingungsquantenzahl jeder Mode = Zahlentripel (v1, v2, v3) im Termschema der Zustände (43) CO2- Laser (0 0 1) E 10600 nm Bevölkerung oberes Laserniveau = Anregung (0 0 v3) durch Elektronenstöße liefert Inversion gegenüber anderen Schwingungszuständen (44) 9600 nm (1 0 0) (0 2 0) (0 1 0) Entvölkerung untere Laserniveaus durch Energieaustausch bei Zusammenstoß von Molekülen : CO2 (100) + CO2 (000) → 2 CO2 (010) CO2 (020) + CO2 (000) → 2 CO2 (010) Sehr effektive Entvökerung von (010) bei Beimischung von He oder N2 durch Zusammenstöße (0 0 0) Vibrationszustände CO2-Molekül mit Laserübergängen Hoher Wirkungsgrad = Ausgangsleistung / elektr. Eingangsleistung = 30% Leistung 10 kW CW-Betrieb Aufbau: Quarzrohr mit Spiegeln p = 1mbar Gasentladung mit U = kV I = 10mA. Die meisten freien schnellen Elektronen dissoziieren CO2 nicht sondern regen nur Schwingungszustände (0 0 v3) an. V3 V2 V1 Exzimeren-Laser: Xe*2 , ArF, KrF, XeCl, XeF , ..... Effektiver Laserbetrieb → kurze Lebensdauer des unteren Laserzustandes. Hohe Leistungen im Pulsbetrieb im UV ! Radikale Entvölkerung des unteren Laserzustandes durch Verwendung von Molekülen deren Grundzustand nicht stabil ist : Existieren nur im angeregten Zustand, zerfallen nach Relaxation in Grundzustand ! Angeregte metastabile Zustände ( * ) relaxieren durch Photo- Emission in Grundzustand Xe*2 : Im Grundzustand chemisch nicht herstellbar, instabil, "Molekül fliegt sofort auseinander" Jedoch durch kräftige Gasentladungs-Elektronenstöße im angeregten Zustand metastabil erzeugbar Induzierte Photonenemission bei Rückkehr in Grundzustand und sofortigem Zerfall des Moleküls Xe + Xe e − Stösse → Pumpen Ind . Em . Xe * + Xe Xe *2 → 2 Xe + h ⋅ f (45) E attr . Potential → Xe *2 Xe* + Xe (XeXe)* Pumpen durch Elektronenstöße bei Gasentladung 172 nm UV !! Xe + Xe Termschema zweiatomiges Exzimer r r = Abstand der Atome Angeregte Zustände mit attraktiver Potentialkurve - molekularer Grundzustand nur mit repulsiver Potentialkurve: Grundzustandatome bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit auseinander ! Anwendung UV-Exzimeren-Laser : EUV-Lithographie = (46) Chipherstellung mit Extrem Ultravioletten Licht Problem : Für UV lassen sich keine Linsen mehr herstellen Problem : Strukturgrößen werden kleiner als gängige Lichtwellenlänge ⇒ Übergang zu EUV-Licht Fertigung von 45 nm … 32 nm … 10 nm Chipstrukturen Probleme : 1. Extreme Reinheits- + mechanische Genauigkeitsanforderungen im atomaren Maßstab !! 2. Arbeiten unter UH-Vakuum 3. Wirtschaftlichkeit Lithographiemaschine für EUV. Der Stepper erzeugt 13,5-nm Licht in einer Plasma-Quelle im Vakuum. Das EUV-Licht gelangt über Spiegel auf die Maske und bildet deren Struktur auf dem Wafer ab. (50) Halbleiter-Laser Solarzelle: pn-Kontakt. Licht trifft auf p-Bereich, Elektron-Loch-Paare werden erzeugt, Strom fliesst 1 μm 500 μm GesamtAbmessungen wenige mm !! Extrem kompakte, kleiner Laser – hohe Bedeutung für IT (LWL, CD, DVD, HD, ...) Kleine Leistungen < 1W im Roten Thermisches Gleichgewicht, keine Spannung angelegt : Große Verarmungszone Schwache Spannung in Durchlassrichtung V ≈ Eg / e 1-2 μm Starke Spannung in Durchlassrichtung : Injektion von Elektronen + Rekombinationsprozesse Erst seit 1995 auch blaue GaN HL-Laser Funktionsprinzip LED – Unterschied nur in spezieller Auslegung. Umkehrung des Prinzips der Solarzelle Resonator: HL-Struktur wirkt selbst als Resonator – sehr effektive Spiegelung der Laser-Photonen an den HL-Schichten Pumpprozess = Anlegen Spannung ⇒ Stromfluss e- in Rekombinationszone Photonenerzeugung durch Rekombination injizierter Elektonen des Leitungsbands mit Löchern im Valenzband Je schmaler die aktive Rekombinationszone, desto geringer die erforderliche Stromdichte Halbleiter-Laser Quelle : Physik Journal 11 (2012) Nr.5 (51) Halbleiter-Laser Quelle : Physik Journal 11 (2012) Nr.5 (52) (53) Halbleiter-Laser Verbesserter Optischer Einschluss in immer kleinere Aktive Zone mit immer höherer Ladungsträgerkonzentration Resonatoreffekt Einsetzen Laserfunktion bei Überschreiten Schwellstrom Aus LEDs werden HL-Laser, wenn geeigneter Resonator die Energiedichte des el.mag. Feld im aktiven LED-Bereich ausreichend verstärkt (hohe Rückkopplung), um Besetzungsinversion zu erreichen GaAs hat hohen Brechungsindex ⇒ Totalreflexion der erzeugten Strahlung an HL-Oberfläche zum Außenraum bzw. zwischen schmaler aktiver Schicht (μm) und einhüllender Schichten (optischer Einschluss / optical confinement) Kenngröße : HL-Laser-Schwellstromdichte die zum Anschwingen des Lasers erforderlich ist (Photonen-Gewinn > Photonen-Verluste im aktiven Bereich) Umso geringer je schmaler der aktive Bereich und je höher die Ladungsträgerdichte. Typische aktuelle Werte 102 A/cm2 Lebensdauer des Bauelements wächst mit abnehmenden Schwellstrom, da zugleich Verlustwärme + Betriebstemperatur reduziert (55) Halbleiter-Laser Ausgangskennlinie HL-Laser als Funktion der Betriebstemperatur Aufbau LED : Einfachere Struktur als HL-Laser ⇒ Keine Resonator-Wirkung ⇒ Spontane Emision überwiegt induzierte Emission Leistungssteigerung durch HL-Laser-Arrays Kombination von Laserdioden zu Laserarrays Kombination vieler Laserdiodenarrays zu Pumpzeilen Vorteil : Hoher elektrisch-optischer Wirkungsgrad der HL-Laser (50 %) gekoppelt mit nun auch hoher Leistung ⇒ Wassergekühlt Gesteigerte Leistungsdichten erschließen Diodenlasern neue Anwendungsbereiche, die bislang durch CO2 - oder Festkörperlaser beherrscht wurden = aus Dutzenden Laserbarren Materialbearbeitung + Nutzung als idealer Pumplaser ! Leistungen im KW-Bereich + Lebensdauern > 10000 h Leichte Austauschbarkeit auch in Produktionslinie Laserstacks / Laserbars Passiv gekühlt auf Cu-Wärmesenken Leistungen bis 100 W Anwendung : Pumpen von HochleistungsFestkörperlasern durch Pumpzeilen, Materialbearbeitung, Medizintechnik Laserdioden-Array CW-Leistung = 10-100 W bei 800 nm (58) Faser-Laser Zukunftsweisende Entwicklung in Lasertechnologie mit hohem Innovationspotential Aktiver Faserteil Passive Faser Mantel Mantel Laseraktiver Glasfaserkern Kern Laserlicht Laserlicht 10 - 20 m Pumplicht Prinzip wie EDFA-Fasern → Festkörperlaser-Kern aus laseraktiver optischer Glasfaser Enge Führung des Lichts in Fasern ⇒ hohe + stabile Strahlqualität Pumpen durch langlebige Laserdioden (10000 Betriebsstunden), Leistungen bis 2kW, hoher Wirkungsgrad Resonatorspiegel erübrigen sich durch ausreichende Länge der Faser ⇒ einfacher + kompakter Aufbau Strahlführung bis zum Anwendungsort übernimmt passive Faser. Große Oberfläche der langen (10-20 m) aktiven Faser ⇒ gleichmäßige + effiziente Kühlung des aktiven Mediums (59) Laser : Optische Zwischenverstärkung bei Faseroptischer Übertragung (60) Wellenleiter-Übertragung über große Entfernungen ⇒ Leistungsverluste durch Dämpfung ⇒ Zwischenverstärkung des optischen Signals Zwei Möglichkeiten: Repeater: Optisch-Elektrische-Signalwandlung Lichtsignal Elektrisches Signal Detektor (Photodiode) Verstärker Faseroptische Laser-Verstärker : Lichtsignal Sender Nachteil: Technisch aufwendig, langsam, Datenrate begrenzt, Kopplungsverluste (Laserdiode) Keine Signalwandlung ! Signalverstärkung bei Durchlaufen eines nichtlinearen optischen Mediums = In Glasfaser integriertes Lasermaterial → Erbium dotierte Glasfaser (Er3+:SiO2) Signalverstärkung direkt beim Durchlaufen des Streckenabschnitts Glasfaser Lichtsignal Laseraktives Material Pout Sättigung im Lasermedium Pin System durch Halbleiterlaser optisch gepumpt Lichtsignal Pout Pumplicht Pin Nichtlineare Verstärkung der Eingangsleistung Begrenzt durch Sättigung im Lasermedium (63) Zusammenfassung Laser Einheitliche Grundelemente aller Laser : Aktives Lasermaterial + Pumpmechanismus + Resonator Inversion → Offenes System weit vom thermischen Boltzmann-Gleichgewicht entfernt → Kohärentes Licht durch Dominanz der induzierten Emission Übergang von chaotischer spontaner Emission .... ..... zu induzierter selbstverstärkender Emission Phasenübergang Vielfältige Unterscheidungsmermale : Arbeitsweise → CW-Laser versus Puls-Laser Pumpmechanismen → Exernes Pumpen durch Blitzlampen Internes Pumpen durch Gasentladung, Stromfluss Abmessungen Resonator → Von Bruchteilen mm bis mehrere m Leistung → mW bis TW Aggregatzustand aktives Medium → Festkörper , Gas, Flüssigkeit Strahlungsvorgang → Elektronenanregung, Molekülschwingungen Anwendungsbereich → Materialbearbeitung, Signalquelle ..............................................
