Materialien - Universität Potsdam

Moderne Themen der
Physik
“Photonik”
Dr. Axel Heuer
Exp. Quantenphysik, Universität Potsdam, Germany
Übersicht
1. Historisches und Grundlagen
2. Hochleistungslaser
3. Diodenlaser
4. Einzelne Photonen
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LASER
Light Amplification by Stimulated Emission Radiation
Diodenlaser
Größe: ~ 100 µm
Lichtleistung: mW - 2 W
Gaslaser
Größe: ~ 30 cm - 2 m
Lichtleistung: mW - KW
Festkörperlaser
Größe: ~ 3 cm - 2 m
Lichtleistung: mW - KW
NIF
National Ignition Facility
( Laser zur Kernfusion)
Größe: ~ 100 m
Lichtenergie: MJ
3
Geschichte des Lasers

1916 Albert Einstein


1928 Rudolf Ladenburg


Stimulierte Emission vorhergesagt
Stimulierte Emision im Labor nachgewiesen
1954 Charles Townes

MASER “Microwave Amplification....”
4
Maser (Microwave Amplification…
5
Geschichte des Lasers

1958 Arthur Shawlow


Veröffentlichung zur
Theorie des Lasers
1960 Ted Maiman

Erster Laser

Festkörper - Rubinlaser
6
Der erste Laser (Rubin-Laser)
T.H. Maiman mit dem
ersten Laser (1960)
7
Der erste Laser (Rubin-Laser)
8
Funktionsweise Laser
9
Funktionsweise Laser
1. aktives Medium (Besetzungsinversion)
2. Pumpe
3. Resonator
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Hochleistungslaser
Scheibenlaser
Faserlaser
Diodenlaser
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Was sind Hochleistungslaser ?
roter Bereich interessant für die Metallbearbeitung
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Exkurs Strahlqualität
Caustic of Gaussian Laser Beam
√2x2wL
√22wL
2w0,G
2WL
 0, G
Z R 0, G
L
ZRL
M  NA  d fibre
2
F
f
D
NA  sin   n12  n2 2
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Materialbearbeitung
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Effizienz von Festkörperlaser
Thermische Effekte

Thermische Linse

Thermische Doppelbrechung

Thermischer Stress, Bruch
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Vermeidung thermischer Effekte
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Faserlaser (Materialien)
Ho3+
Nd3+
Pr3+/Er3+/Ho3+/Tm3+
400
800
Yb3+
1200
Pr3+
Er3+
Tm3+
1600
2000
Tm3+
2400
Er3+ Ho3+
Er3+
2800
 [nm]
first demonstration of a fiber laser: in the early sixties !
E. Snitzer, “Neodymium glass laser,” Proc. of the Third International conference on Solid Lasers, Paris, page 999 (1963).
C.J. Koester and E.Snitzer, “Amplification in a fiber laser,” Appl. Opt. 3, 10, 1182 (1964).
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Faserlaser (Pumpanordnung)
End-on-Pumping by
high power diode
laser Stack
Pumping by
several small
Stacks
Pumping by many
individual Single
Mode Emitters
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Faserlaser (Ausgangsleistung)
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Faserlaser (Starwars)
100 kW System (Excalibur) DARPA
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Scheibenlaser (Prinzip)
Sehr dünne (ca. 300µm) Scheibe
laterale Wärmeabfuhr
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Scheibenlaser (Laseraufbau)
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Scheibenlaser (Pumpkonzept)
Aufgrund der dünnen Scheibe viele Pumpdurchgänge nötig
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Scheibenlaser - Ausgangslaser
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Diodenlaser
Diodenlaserstacks:
1 – 2 kW aus einer
Streichholzschachtel
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Diodenlaser - Aufbau
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Diodenlaser - Typen
Quantenkonfinement erhöht die Ladungsträgerdichte
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Diodenlaser - Schwellstrom
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Diodenlaser - Herstellung
Molekularstrahlepitaxie (MBE)
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Diodenlaser - Herstellung
Molekularstrahlepitaxie (MBE)
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Diodenlaser - Herstellung
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Diodenlaser - Rippenwellenleiter
Max. Ausgangsleistung: 1 - 2 W
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Diodenlaser – Laserbarren
Emitterbreite : 1 cm
Ausgangsleistung:  100 W
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Diodenlaser – Laser stacks
Stapel aus mehreren
Laserbarren
Ausgangsleistung:  0.5 kW
Problem schlechte Strahlqualität
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Diodenlaser – inkohärente Kopplung
Überlagerung von Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlänge
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Diodenlaser – kohärente Kopplung
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2. Thema:
Quanten-Verschränkung und
Quanten-Imaging
38
Verrückte Quantenwelt…???
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Frequenzverdopplung
In einem nichtlinearen Kristall kann Licht der
doppelten Frequenz (d.h. der halben Wellenlänge)
erzeugt werden
1064 nm
Kristall
532 nm
1064 nm
2  FUN  SHG
Das bedeutet aus zwei Photonen niedriger Energie
entsteht ein Photon höherer Energie
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Frequenzverdopplung



Atome im Kristallgitter sind Dipole aus Hülle und Kern
Hülle wird gegen Kern verschoben durch externes Feld
Strahlt man Licht ein, schwingt dieser Dipol
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Verschränkte Photonen
Der Prozess im nichtlinearen Kristall funktioniert auch
umgekehrt – ein Photon mit hoher Energie kann in
zwei Photonen niedriger Energie “zerfallen”
1064 nm
532 nm
Kristall
1064 nm
Diese Photonen sind unter umständen “verschränkt”
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Verschränkte Photonen
• Es ist möglich, Photonenpaare zu Erzeugen, die in
einer Eigenschaft verschränkt sind.
• Das bedeutet das Zwillingsphoton besitzt immer
genau einen komplementären Zustand z.B. die
Polarisation
1064 nm Vert.
532 nm
Kristall
1064 nm Hor.
Ein Photon ist z.B. vertikal polarisiert, das andere horizontal
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Parametric Down Conversion
Phasenanpassung Typ I : kp, e = ks, o + ki, o
Signal und Idler Photonen haben die gleiche Polarisation
s , k s
p , kp
i , ki
Energieerhaltung: p = s + i
Impulserhaltung: kp = ks + ki
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Parametric Down Conversion
Phasenanpassung Typ II : kp, e = ks, o + ki, e
Signal und Idler Photonen haben orthogonale Polarisation
In den Überschnittpunkten der Kegel sind die Photonenpaare
in der Polarisation verschränkt
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Verschränkte Photonen
Trennt man beide Photonen und wählt den Aufbau so,
dass sie nicht unterscheidbar sind (die Photonen
erscheinen unpolarisiert) kann man im Prinzip
“Quantenteleportation” beobachten
1064 nm ?
1064 nm ?
In dem Moment in dem ich an Photon 1 die
Polarisation bestimme, geht Photon 2 in den
komplementären Zustand über
EGAL wie weit die beiden Photonen
voneinander entfernt sind
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Hong-Ou-Mandel Interferometer
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Franson Interferometer
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Ghost Imaging (scanning detector)
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Ghost Imaging (camera)
50
Ghost Imaging (camera)
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Induzierte Kohärenz

Nur ein Photonenpaar gleichzeitig im Interferometer

Keine stimulierten Prozesse, geringe Photonenrate

Ununterscheidbare Idler Photonen durch Strahlüberlagerung
*X.Y. Zhou, L.J. Wang, and L. Mandel, Phys. Rev. Lett. 67, 318 (1991)
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Imaging with undetected photons
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Photonik

Mögliche Themen:

Scheiben- und Faserlaser
(neue Hochleistungsfestkörperlaser)

Kohärente und inkohärente Kopplung von
Diodenlaser

Attosekunden-Laserpulse (optional)

Zweiphotoneninterferenz
(spooky action at a distance)

Ghost Imaging
(Imaging with undetected photons)
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