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2016 | Buch

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Femtosekundenlaser

Einführung in die Technologie der ultrakurzen Lichtimpulse

verfasst von: Klemens Jesse

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das Buch beschreibt die Grundlagen der Femtosekundenlaser, d.h. Strahlungsquellen mit ganz neuen Möglichkeiten in Technik, Chemie, Produktion und Medizin. Neben etablierten Verfahrenstechniken kommen modernste Einsatzgebiete des Zeitmikroskops, das zur direkten Beobachtung von Elektronen dient, zur Sprache. Es gibt eine Hierarchie der Zeit im Bereich der Chemie und Biologie, und der Femtosekundenlaser hilft, die Korrelation mit den jeweils eigenen Zeitkonstanten der untersuchten Übergänge herzustellen. Neben den neuartigen Gebieten Femtochemie, Femtonik und Attowissenschaften werden spezielle Anwendungen an der Grenze von Forschung und Theorie erläutert. 1999 gab es den Nobelpreis für Ahmed Zewail für seine Erfolge um das Gebiet der Femtochemie. Am 20. Dezember 2013 hat die UN-Generalversammlung das Jahr 2015 als „Internationales Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien“ ausgerufen. Das Jahr des Lichts „soll an die Bedeutung von Licht als elementare Lebensvoraussetzung für Menschen, Tiere und Pflanzen und daher auch als zentraler Bestandteil von Wissenschaft und Kultur erinnern“. Heute gilt die Femtosekundentechnologie als der Innovations- und Wirtschaftsmotor der Zukunft und wird viele Arbeitsplätze in der Industrie sichern helfen. Neben der Zahn- und Krebsmedizin sowie Augenheilkunde ist der Femtosekundenlaser auch bei industriellen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Man kann Werkstoffstrukturen im Nanometerbereich mit einem Ti:Saphir-Femtosekundenlaser herstellen. Ein Ausblick auf das nächste Technik-Zeitalter – das des Lichts – wird mit einem abschließenden kleinen Lexikonteil und Literaturzitaten gegeben.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Die Kunst der Hochgeschwindigkeitsfotografie nahm 1877 ihren Anfang, als Eadweard Muybridge als Ergebnis einer Wette eine Reihe von Schnappschüssen von einem galoppierenden Pferd aufnahm, um zu beweisen, dass das Pferd zu einem Zeitpunkt alle Hufe in der Luft hatte. Indem man die Bewegung des Pferdes einfriert, kann man auf direkte Weise die Bilder studieren und etwas übers Galoppieren lernen. Die ultrakurze Zeitskala von Femtosekunden ist die Zeitskala von elementaren chemischen Reaktionen und von elektronischen und Kernbewegungen in Molekülen: wenn chemische Bindungen in chemischen Reaktionen gebildet oder gebrochen werden, wenn Moleküle sich umordnen, um neue Moleküle zu bilden, oder wenn Energie von einem Molekül zum anderen transportiert wird, passieren all diese Prozesse auf einer Femtosekundenskala. Daher beruht das fundamentale Verständnis von chemischen oder biologischen Vorgängen letztendlich auf einem gründlichen Verständnis der ultrakurzen Prozesse.
Klemens Jesse
2. Geschichte der Kurzzeittechnik
Zusammenfassung
Die Zeit ist die als Übergang von Gegenwart zu Vergangenheit und von Zukunft zu Gegenwart erlebte allgemeinste Form der Veränderungen in der Natur (objektive Zeit), im menschlichen Bewusstsein (Erlebniszeit) und in der Geschichte (historische Zeit). Die Zeitmessung ist aus der Astronomie hervorgegangen und durch die Entwicklung der Uhr fortschreitend verfeinert worden. Im Folgenden sollen zuerst einige historische Konzepte untersucht werden, die der Messung schneller Phänomene zugrunde liegen.
Klemens Jesse
3. Theoretische Grundlagen
Zusammenfassung
Viele Pikosekundentechniken finden auch bei der Impulsverkürzung im Sub-Pikosekundenbereich ihre Anwendung. Zu den im Femtosekundenbereich praktizierten Impulsverkürzungstechniken gehören die Pulskompression, der Einsatz eines CPM-Ringlasers (CPM = colliding pulse modelocking), das passive Modenkoppeln und die Verwendung optisch parametrischer Systeme.
Klemens Jesse
4. Klassifizierung von Femtosekundenlasern
Zusammenfassung
Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach DIN EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDI 0837 darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden). Lasersicherheit betrifft alle Wissenschaftler, die Laser als Werkzeug einsetzen. Nanosekundenlaser und länger gepulste Laser sind durch die Norm ANSI Z136.1 als Lasersicherheitsstandard abgedeckt. Es gibt zurzeit keinen Lasersicherheitsstandard im Umgang mit Pulsen kürzer als 1 ns.
Klemens Jesse
5. Ultrakurzzeitlasertypen
Zusammenfassung
Der erste Laser blitzte am 15. Mai 1960 in einem Labor der Hughes Air-craft Corporation auf. Die Konstruktion aus einem Rubinstab als Lasermedium und einer ihn umgebenden gewendelten Blitzröhre als Pumpquelle stammte von Theodore Maiman. Die Enden des Rubinstabs waren mit Spiegeln, einer davon halbdurchlässig, versehen. Die heutige Laserforschung kann auf eine Vielzahl von Lasertypen mit unterschiedlichsten Eigenschaften und Fähigkeiten für eine Vielzahl von Anwendungen zurückgreifen. Eine besondere Eigenschaft des Laserlichts ist die Tatsache, dass mit dem Laser ultrakurze Lichtpulse erzeugt werden können, und zwar mit Dauern im Femtosekunden-, ja sogar im Attosekundenbereich. Mit der Femtosekundenoptik lassen sich Abläufe atomarer oder biologischer Vorgänge stroboskopartig verfolgen. Enorme Pulsleistungen von einigen Terawatt stehen bereits zur Verfügung.
Klemens Jesse
6. Charakterisierung von Femtosekundenpulsen
Zusammenfassung
Piko- und Femtosekundenpulse stellen ein einzigartiges Instrument für die Untersuchung ultraschneller Prozesse verbunden mit der Wechselwirkung von Materie mit Licht dar. Die Einführung dieser Instrumentarien hat es erforderlich gemacht, neue zeitauflösende Messtechniken zu entwickeln. Das Verständnis dieser Techniken ist für eine quantitative und qualitative Bewertung von Femtosekundenexperimenten notwendig. Das bessere Verständnis der untersuchten schnellen Prozesse bringt auch eine Weiterentwicklung der Messtechniken mit sich. Die zeitaufgelöste Darstellung ultrakurzer Lichtimpulse wird durch eine nichtlineare Technik, meist SHG-Autokorrelationstechnik, möglich. Bei allen Autokorrelationsverfahren wird als Lasersignal der quasi-kontinuierliche Pulszug eines KLM-Lasers mit einer Wiederholrate von etwa 100 MHz vorausgesetzt. Will man einzelne Femtosekunden-Laserpulse charakterisieren, so sind Modifikationen der Autokorrelationsverfahren notwendig.
Klemens Jesse
7. Femtosekundenoptiken und -instrumente
Zusammenfassung
In fortschrittlichen Ländern wie den USA und Deutschland ist wohl bekannt, dass die Technologie nicht nur auf ein Gebiet begrenzt, sondern die weit angewandte Entwicklung sich auf verschiedene Disziplinen wie die Physik, Optik, Chemie, Biologie, Medizin, Elektrotechnik, Feinmechanik, Materialwissenschaften und Bioingenieurtechniken erstreckt. Nanoskalenmessung, Herstellung von Nanopartikeln und ultraschnelle optische Charakterisierung von Nanopartikeln werden für die IT- und MEMS (Micro Mechanical Systems)-Forschung benutzt. Verschiedene Methoden mit ultraschnellen Lasern setzen eine besondere Technologie zur sicheren Handhabung der kurzen Pulse voraus. Im Folgenden sollen die Werkzeuge des Femtosekundentechnikers zur Sprache kommen.
Klemens Jesse
8. Anwendungen von Femtosekundenlasern
Zusammenfassung
Eine Revolution hat sich in den letzten 30 Jahren in der Ultrakurzzeit-Messtechnik angebahnt. Die Entwicklung neuer Lasertypen, die Pulse mit einer Dauer von wenigen Piko- oder Femtosekunden aussenden, erlauben, fundamentale Vorgänge in Physik, Chemie oder Biologie unterhalb 10−9 s bis zu einigen 10−15 s zu untersuchen, die bisher als nicht messbar galten. Der Fortschritt gilt vor allem stabilen Pulsen unterhalb 10 fs Dauer aus einem einzigen Oszillator und reicht bis in den Attosekundenbereich mit der Erzeugung von extrem kurzen Röntgenblitzen, die zu zeitaufgelösten Strukturuntersuchungen biologischer oder chemischer Komponenten genutzt werden können. Auch die Materialbearbeitung, Spektroskopie und Medizin profitieren von der neuen Technik.
Klemens Jesse
9. Ausgewählte Beispiele
Zusammenfassung
Zum Abschluss dieses Ausflugs in die Welt der kürzesten optischen Pulse sollen einige Beispiele die vielen Möglichkeiten des Femtosekundenlasers fächerübergreifend darstellen.
Klemens Jesse
10. Ausblick
Zusammenfassung
Optische Technologien gelten als Schrittmacher für viele Zukunftsmärkte des 21. Jahrhunderts. Deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen rüsten sich für die Herausforderung. Die Biofotonik gehört auch dazu. Licht treibt die Technikentwicklung im Maschinen-, Automobil-, Schiffs- und Flugzeugbau, der Mikroelektronikindustrie, bei den Herstellern von Pharma- und Medizinprodukten sowie der Beleuchtungsindustrie. Schon heute transportieren Lichtwellen in Deutschland mehr als 90 % der Datenmengen in den Weitverkehr-Glasfaserstrecken. Die Leistungsfähigkeit optischer Speichersysteme wie DVD und magneto-optischen Laufwerken wächst rasant dank neuer blauer Laser. Optische Sensoren in „intelligenten Autos“ erkennen den Straßenzustand, regulieren die Scheinwerfer oder erkennen drohende Unfälle. Dünnschicht-Solarzellen versprechen sinkende Kosten und flexible Anwendungen bei der Stromerzeugung aus Sonnenlicht. Das weltweite Marktvolumen für optische Technologien wird vom VDI-Technologiezentrum derzeit auf 80 Mrd. € geschätzt, und es soll in den nächsten zehn Jahren mit zweistelligen Wachstumsraten auf 500 Mrd. € bis 800 Mrd. € anwachsen.
Klemens Jesse
Backmatter
Metadaten
Titel
Femtosekundenlaser
verfasst von
Klemens Jesse
Copyright-Jahr
2016
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-49357-1
Print ISBN
978-3-662-49356-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-49357-1

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    Bildnachweise