Laser

Frontmatter

1. Licht, Atome, Moleküle, Festkörper

Zusammenfassung

Seit der experimentellen Realisierung der ersten Lasersysteme, des Rubin-Lasers im Jahre 1960 und des Helium-Neon-Lasers im Jahre 1961, sind eine Fülle verschiedener weiterer Systeme entwickelt worden. In diesem Buch werden zunächst die allgemeinen physikalischen Grundlagen der Lasertechnik sowie anschließend der Aufbau der wichtigsten Lasertypen, Gas-, Farbstoff-, Festkörper- und Halbleiterlaser, und elektrooptischer Bauelemente beschrieben. Gegenüber konventionellen Lichtquellen (Glüh- und Gasentladungslampen) zeichnen sich Laser durch starke Bündelung (geringe Divergenz), geringe spektrale Linienbreite (Monochromasie, Kohärenz), hohe Intensität und die Möglichkeit, kurze Pulse zu erzeugen, aus. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungen, z.B. in der Messtechnik, Holographie, Medizin, Materialbearbeitung und in der Nachrichtenübertragung. Diese Anwendungen werden ebenfalls im Überblick dargestellt.

Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler

2. Absorption und Emission von Licht

Zusammenfassung

Nachdem im ersten Kapitel grundlegende Eigenschaften der Atome behandelt wurden, soll im folgenden die Wechselwirkung von Licht mit Atomen und Materie dargestellt werden. Spezielle Arten der Wechselwirkung sind die Absorption von Licht aber auch die Emission und die Lichtverstärkung, welche die Grundlagen des Lasers bilden.

Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler

3. Lasertypen

Zusammenfassung

Das Kunstwort „Laser“ bedeutet „light amplification by stimulated emission of radiation“ und beschreibt den grundlegenden Prozess der „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission“, der zur Entstehung der Laserstrahlung führt. Die stimulierte Emission ist bereits um 1905 von Einstein zur Erklärung des Planckschen Strahlungsgesetzes postuliert worden. Erst im Jahre 1960 gelang es Maiman, diesen Prozess zur Erzeugung kohärenten Lichtes auszunutzen. Die bis dahin gebräuchlichen Strahlungsquellen, Sonne, Glüh- und Gasentladungslampen senden Licht in alle Raumrichtungen mit relativ unbestimmten Frequenzen aus, während der Laser im Gegensatz dazu einen gut gebündelten Strahl mit hoher Frequenzschärfe emittiert.

Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler

4. Laserübergänge in neutralen Atomen

Zusammenfassung

Atome emittieren eine Vielzahl von Linien im sichtbaren Spektralbereich. Als Beispiel sei an die Balmer-Serie des Wasserstoffs erinnert (Bild 1.5) mit Wellenlängen von 365 bis 656 nm. Auch wenn H-Atome sich bisher nicht als gute Lasermedien erwiesen haben, so können deren Energieniveauschema und der emittierte, sichtbare Wellenlängenbereich als charakteristisch auch für andere Atome angesehen werden. Ein Grund für die schlechte Eignung von H-Atomen als Lasermedien ist, dass Wasserstoff bei normalen Temperaturen stabile Moleküle H₂ bildet, die in einer Gasentladung erst dissoziiert werden müssten, um H-Atome zu erzeugen. Zur Erzeugung sichtbaren Lichtes sind Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe) geeignet, da diese in atomarer Form vorliegen.

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5. Ionenlaser

Zusammenfassung

Bei den in diesem Kapitel beschriebenen Ionenlasern handelt es sich um Gasentladungslaser die den Lasern mit atomaren Gasen ähneln. Ein Ion ist ein Atom, bei dem ein oder mehrere Elektronen meist aus den äußeren Bahnen abgelöst ist. Das Ion ist daher positiv geladen, wobei die Ladung einer oder mehrerer Elementarladungen entspricht. Die verbleibenden Elektronen können ähnlich wie in einem Atom angeregt werden und emittieren Licht bei dem Übergang in den Grundzustand oder andere angeregte Zustände. Laserübergänge sind ebenfalls genau wie in Atomen möglich. Da zu jedem Atom mehrere Ionen gehören, ergibt sich durch deren Existenz eine Vielzahl von zusätzlichen Laserlinien.

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6. Infrarot-Moleküllaser

Zusammenfassung

Laserstrahlung im Infraroten wird häufig mit Gaslasern erzeugt. Für Infrarot- Laser wird vor allem die Strahlung molekularer Gase ausgenutzt. Bei Strahlungs übergängen zwischen Rotationsniveaus eines Moleküls, dessen Schwingungszustand ungeändert bleibt, treten relativ kleine Energiedifferenzen auf. Der entsprechende Wellenlängenbereich liegt zwischen 25 μm und 1 mm. Man spricht in diesem Zusammenhang von Ferninfrarot-Lasern (Abschn. 6.1). Die Energiedifferenzen zwischen Vibrations-Rotations-Niveaus desselben elektronischen Zustandes sind größer. Daher ist die Wellenlänge derartiger Laserstrahlung kleiner; sie liegt zwischen 5 μm und 30 μm (Abschn. 6.2). Besonders weit verbreitet ist der CO₂-Laser, der eine Wellenlänge von 10 μm emittiert. Finden Laserübergänge zwischen verschiedenen elektronischen Niveaus statt, so liegen die Wellenlängen im sichtbaren und ultravioletten Bereich. Besonders wichtig sind die Stickstoff- und Excimerlaser (Kap. 7).

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7. UV-Moleküllaser

Zusammenfassung

Gepulste Lasertätigkeit im ultravioletten Spektralbereich wird bei Überg-ängen zwischen Elektronenniveaus in Molekülen erzielt. Dabei werden zweiatomige stabile Moleküle wie H₂, N₂ und Excimere, vor allem Edelgashalogenide, als aktive Medien eingesetzt. Excimere sind Moleküle, die nur kurzzeitig im angeregten Zustand existieren und nach Übergang in den Grundzustand schnell zerfallen. Die stärksten UV-Laserlinien von Molekülen sind in Tabelle 7.1 zusammengefasst.

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8. Farbstofflaser

Zusammenfassung

Mit weit über 100 Farbstoffen in wässerigen oder organischen Lösungen (Konzentration im Bereich 10⁻³ Mol/Liter) kann je nach Farbstoff abstimmbare Lasertätigkeit von etwa 300 nm bis über 1 μm erreicht werden. Das Pumpen erfolgt in der Regel optisch, wobei gepulster und kontinuierlicher Betrieb erreicht wird. Der Farbstofflaser ist bei weitem der gebräuchlichste abstimmbare Laser mit zahlreichen Anwendungen in der Spektroskopie, Medizin, Biologie, Umweltschutz, Analysetechnik und Isotopentrennung. Aufgrund der hohen Bandbreite eignet sich dieser Lasertyp zur Erzeugung ultrakurzer Pulse bis in den Femtosekundenbereich, die zur Untersuchung schneller Prozesse, z.B. der Photosynthese dienen können. In der Medizin wird der Farbstofflaser in der Dermatologie und der Photodynamischen Therapie eingesetzt.

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9. Festkörperlaser

Zusammenfassung

Das aktive Medium der meisten Festkörperlaser besteht aus Kristall- oder Glasstäben von einigen cm Länge oder aus mm-dicken Scheibchen, die mit optisch wirksamen Ionen dotiert sind. Dabei werden meist Übergangsmetalle wie Cr, Ni, Co oder seltene Erden wie Nd, Er oder Ho verwendet. Die Laserstrahlung entsteht teilweise in inneren ungefüllten Schalen, die weitgehend vom Kristallfeld abgeschirmt sind. Die Übergänge sind dann wie bei freien Atomen schmalbandig, und sie liegen im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich. Daneben existieren auch breitbandige Niveaus, welche zu abstimmbaren Lasern führen.

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10. Halbleiterlaser

Zusammenfassung

Kurz nach der Realisierung des ersten Lasers überhaupt wurde bereits 1961 über den Halbleiterlaser berichtet. Zunächst wurde nur gepulster Betrieb bei tiefen Temperaturen erreicht, aber später auch kontinuierlicher Betrieb bei Raumtemperatur. Der Halbleiterlaser ist von großem wirtschaftlichen Interesse und wird bereits jetzt in großen Stückzahlen in Konsumartikeln wie digitalen Musikrecordern, CD-, DVD-ROM und Blu-ray-Massenspeichern für Personalcomputer und in Laserdruckern eingesetzt. Weitere Anwendungen finden sich beispielsweise in der Telekommunikation, Materialbearbeitung und Medizintechnik.

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11. FELs, kohärente Röntgen- und Atomstrahlen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden drei wissenschaftlich interessante Lasertypen beschrieben, die wegen des zu ihrer technischen Realisierung notwendigen Aufwandes bisher noch nicht als kommerzielle Geräte verfügbar sind:

– Freie-Elektronen-Laser (FEL) beruhen auf der Lichtemission von Elektronenstrahlen in einem periodischen Magnetfeld. Damit lässt sich Strahlung im Spektralbereich vom Infraroten bis zum Röntgenlicht erzeugen, was den Emissionsbereich anderer Lasertypen bei weitem übertrifft.

– Kohärente Röntgenstrahlung kann auch durch stimulierte Emission von Ionen in laserinduzierten Plasmen erzeugt werden.

– Im Jahre 1997 wurde erstmals die Erzeugung kohärenter Atomstrahlen realisiert. Dafür wurde ein „ atomic laser“ oder „ Atomlaser“ benutzt, wobei die Bezeichnung Laser hier nicht ganz korrekt ist, da kein Licht emittiert wird, sondern Atome.

Diese drei Lasertypen sind konzeptionell und auch bezüglich der Strahleigenschaften völlig verschieden und werden hier trotzdem in einem Kapitel dargestellt, um zukünftige Perspektiven aufzuzeigen.

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12. Ausbreitung von Lichtwellen

Zusammenfassung

In der geometrischen Optik wird angenommen, dass sich Licht geradlinig als ein Bündel von Lichtstrahlen ausbreitet. Aufgrund der Welleneigenschaften ergeben sich in der Realität erhebliche Abweichungen von dieser einfachen Vorstellung, insbesondere bei der Ausbreitung seitlich begrenzter Lichtbündel, wie sie von Lasern emittiert werden. Theoretischer Ausgangspunkt für eine genauere Beschreibung der Ausbreitung von Licht ist die Wellengleichung.

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13. Optische Resonatoren

Zusammenfassung

Das in einem Laser zwischen den Spiegeln hin- und herlaufende Licht bildet stehende Wellen, die bestimmte räumliche Verteilungen der elektrischen Feldstärke besitzen. Diese Verteilungen werden Schwingungsformen oder Moden des optischen Resonators genannt.

Für die verschiedenen Moden werden Bezeichnungen der Form TEM _mnq verwendet als Abkürzung für Wellen mit transversaler elektrischer und magnetischer Feldstärke. Dabei bedeuten m und n die Zahl der Nullstellen der Feldstärkeverteilung auf den Spiegeln in einem rechtwinkligen oder Polar- Koordinatensystem. q gibt die Zahl der Feldstärkemaxima auf der Laserachse an. Oft interessiert lediglich die transversale Feldstärkeverteilung, beschrieben durch TEM _mn . Durch die Angabe von m und n ist die Intensitätsverteilung über den Querschnitt des Laserstrahls bestimmt. Die Verteilung der Feldstärke in Richtung der Laserachse wird auch axialer oder longitudinaler Mode genannt. Jeder Mode gekennzeichnet durch m, n, q hat eine andere Lichtfrequenz.

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14. Spiegel

Zusammenfassung

Die einfachsten Laserspiegel bestehen aus polierten Metallen, z.B. Kupfer für CO₂-Laser, oder Metallschichten, z.B. Gold, Silber, Aluminium auf Glastr ägern. Die Reflexion des Lichtes findet an der Oberfläche statt, wobei stets ein Teil des Lichtes in das Metall und das Trägermaterial eindringt und dort absorbiert wird. Teilweise kann Licht auch durch den Spiegel hindurchtreten, was insbesondere für Laserauskoppelspiegel notwendig ist.

Auch an den Grenzflächen von durchsichtigen Stoffen, wie Glas, Wasser und auch an anderen so genannten dielektrischen Materialien, wird Licht reflektiert. Der Reflexionsgrad bei senkrechtem Einfall beträgt z.B. an der Grenzfläche Luft-Glas etwa 4%, kann aber bei streifendem Einfall oder auch bei Totalreflexion auf 100% anwachsen. Die für die Reflexion und Brechung an einer Grenzfläche gültigen Gesetze werden im folgenden Abschn. 14.1 behandelt.

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15. Polarisation

Zusammenfassung

Licht breitet sich im Vakuum und nicht begrenzten isotropen Materialien als eine transversale elektromagnetische Welle aus. Die elektrische und magnetische Feldstärke schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und stehen aufeinander senkrecht. Dieser Schwingungszustand der Feldstärke wird als transversale Polarisation bezeichnet. Eine derartige Lichtwelle ist also nicht symmetrisch gegenüber Drehung um die Ausbreitungsrichtung. Im Gegensatz dazu schwingen bei einer Schallwelle in Luft die Atome in Ausbreitungsrichtung, diese Welle wird als longitudinal polarisiert bezeichnet. Auch bei der Ausbreitung von Licht z.B. in anisotropen, doppelbrechenden Materialien oder in Glasfasern, können longitudinale Feldkomponenten auftreten. Im folgenden sollen nur transversale Lichtwellen im Vakuum und isotropen Materialien ohne wellenleitende Eigenschaften betrachtet werden.

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16. Modulation und Ablenkung

Zusammenfassung

Für viele Laseranwendungen muss der Strahl moduliert oder abgelenkt werden. Neben mechanischen Bauelementen werden dazu hauptsächlich akustooptische oder elektrooptische Verfahren eingesetzt.

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17. Pulsbetrieb

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Der erste im Jahre 1960 gebaute Rubinlaser und zahlreiche weitere Laser, z.B. die Excimerlaser, können nur gepulst betrieben werden. Bei anderen Lasern ist gepulster und kontinuierlicher Betrieb möglich, wobei der Pulsbetrieb oft weniger Aufwand erfordert und deshalb zuerst entdeckt worden ist. Außerdem können im Pulsbetrieb wesentlich höhere Lichtleistungen erreicht und damit neuartige optische Effekte beobachtet werden, die zahlreiche interessante wissenschaftliche und technische Anwendungen besitzen.

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18. Frequenzselektion und -abstimmung

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In einem Laserresonator sind im allgemeinen mehrere axiale und transversale Wellenformen (Moden) angeregt. Die Frequenzen oder Wellenlängen dieser Moden können verschiedene Werte im Bereich der Linienbreite des Übergangs (etwa 1, 5 · 10⁹ Hz beim 633 nm He-Ne-Laser, einige 10¹³ Hz oder etwa 50 nm beim Farbstofflaser) annehmen. Durch Verwendung frequenzselektiver Elemente im Resonator kann die Zahl der angeregten Wellenformen und damit der Emissionsbereich des Lasers auf einen kleinen Teil der Linienbreite reduziert werden. Im Grenzfall ist die Anregung einer einzelnen axialen Wellenform möglich. Durch Änderungen an den frequenzselektiven Elementen (z.B. Verkippen eines Prismas, Gitters oder Etalons) kann die Emission eines Lasers im Bereich der Linienbreite kontinuierlich abgestimmt werden.

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19. Frequenzumsetzung

Zusammenfassung

Der Spektralbereich von Lasern kann durch verschiedene Verfahren der Frequenzumsetzung wesentlich erweitert werden. Von besonderer Bedeutung sind nichtlineare optische Effekte, wie die Frequenzverdopplung und die Raman-Streuung. Zunächst soll der Doppler-Effekt zur Erzeugung kleiner Frequenzänderungen z.B. für messtechnische Anwendungen behandelt werden.

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20. Stabilität und Kohärenz

Zusammenfassung

Die Eigenschaften von Laserstrahlen, wie Frequenz, Leistung, Strahlprofil, Richtung, Polarisation, sind nicht stabil, sondern schwanken, was sich störend auf viele Anwendungen auswirkt. Beispielsweise führen Schwankungen der Frequenz oder Wellenlänge von He-Ne-Lasern zu einer begrenzten Messgenauigkeit bei interferometrischen Längenmessungen. Schwankungen der Energie und des Strahlprofils von Pulslasern, die zum Bohren verwendet werden, ergeben Unterschiede des Lochdurchmessers und der Form der produzierten Löcher.Wie bereits in Kap. 3 dargestellt, ist es daher notwendig, die Schwankungen zu erfassen und für spezielle Anwendungen hinreichend klein zu halten. Die dabei auftretenden Probleme sind meist technischer Art und können im folgenden nur angedeutet werden. Der Schwerpunkt der folgenden Ausführungen liegt in der Erläuterung von Begriffen, die zur Beschreibung von Stabilitätseigenschaften verwendet werden, d. h. der Art und Größe der Schwankungen. Außerdem sollen einige fundamentale Stabilitätsgrenzen dargestellt werden.

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21. Photodetektoren und Energiemessgeräte

Zusammenfassung

Eine der wichtigsten Kenngrößen eines Lasers ist dessen Ausgangsleistung, bei gepulsten Lasern die Pulsenergie. Zur Messung werden verschiedene Geräte benutzt, die im folgenden beschrieben werden.

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22. Spektralapparate und Interferometer

Zusammenfassung

Die gebräuchlichsten Geräte zur spektralen Zerlegung von Licht sind Prismen- und Gitterspektrometer sowie Fabry-Perot-Interferometer. Eine weitere Methode zur direkten Frequenzmessung ist das optische Überlagerungsverfahren (optical heterodyning). Zur Charakterisierung der verschiedenen Spektralapparate werden die Lineardispersion und das spektrale Auflösungsvermögen verwendet. Die Lineardispersion (Einheit z.B. nm/mm) gibt an, wie weit zwei Spektrallinien mit einem bestimmten Abstand Δλ örtlich im Spektrum voneinander entfernt sind. Das spektrale Auflösungsverm ögen λ/Δλ gibt den Abstand zweier noch eben trennbarer Wellenlängen λ und λ + Δλ an.

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23. Anwendungen und Entwicklungspotenzial

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Der militärische Einsatz von Hochenergie-Lasern in „Star-Wars“-Projekten hat früher teilweise zu einem negativen Bild der Lasertechnik geführt. Neben diesen waffentechnischen Vorhaben existiert jedoch eine ganze Palette friedlicher, zum Teil spektakulärer Laseranwendungen. Darunter fallen zentimetergenaue Messungen der Kontinentaldrift und des Abstandes Erde-Mond. Halbleiterlaser und Glasfasern steigern unsere Kommunikationsmöglichkeiten um viele Größenordnungen. Laserstrahlen mit hoher Leistung werden zur Materialbearbeitung und für die Chirurgie eingesetzt. Die Holographie mit Laserlicht eröffnet neue Möglichkeiten zur dreidimensionalen Bilddarstellung, Mustererkennung und Bildverarbeitung. Schon jetzt sind Diodenlaser in CD-und DVD-Speichern. Derartige Anwendungsmöglichkeiten der Laser werden in diesem Kapitel an einigen Beispielen dargestellt.

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24. Sicherheit von Laser-Einrichtungen

Zusammenfassung

Für den vorschriftsmäßigen Einsatz von Lasern wurde die europäische Norm „Sicherheit von Lasereinrichtungen DIN EN 60 825-1“ herausgegeben. Zusätzlich hat die Berufsgenossenschaft eine eigene Unfallverhütungsvorschrift „Laserstrahlung BGV B2 (GUV V B2)“ erstellt. Diese Richtlinien sind in Überarbeitung. Besondere Gefahren durch Laserstrahlung entstehen für das Auge, worauf im folgenden genauer eingegangen werden soll.

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 . Lösungen

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1.1 (a) Für die Intensität gilt für r = 0, 1m:

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