VL-1 Flashcards
Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Ursachen: exakte Steuerbarkeit und Minimierung der Wechselwirkungszone auf unter 1mikrometer
➢ Monochromasie d. h. die spektrale Einengung auf eine Wellenlänge mit nur geringer
Bandbreite,
➢ Kohärenz der Laserstrahlung, d. h. die Phasengleichheit aller emittierten Wellen,
➢ Gerichtete Emissionen bei der sämtliche Laserenergie in einem schmalen Winkelbereich
konzentriert ist.
Laser - funktionsweise
Das aktive Medium befindet sich zwischen zwei Resonatorspiegeln und wird durch eine Pumpquelle angeregt. Die Photonen werden zwischen den Resonatorspiegeln reflektiert und
verstärkt.
Ein großer Teil der Pumpenergie wird in Wärme umgesetzt und muss über die Kühlung abgeführt werden.
Unterschied: Besetzungsinversion vs Besetzungsniveau
Besetzungsinversion:
Bei der Besetzungsinversion wird diese Verteilung so verändert, dass in einem höheren Energieniveau mehr Atome sind als in einem darunterliegenden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ein Photon mit einem angeregten Atom während der Lebensdauer des angeregten Zustand wechselwirkt.
Besetzungsniveau:
Boltzmann-Verteilung: Es befinden sich immer mehr Atome auf einem bestimmten Energieniveau als auf dem nächsthöheren.
Laserpumpprozess
Pumpmechanismus dient der Erzeugung der Besetzungsinversion: mehr Atome im angeregten Zustand als im Ruhezustand
➢ Stossanregung der Atome, Ionen oder Moleküle: Die Atome des gasförmigen Lasermediums werden durch Stöße mit energiereichen Elektronen oder anderen Atomen angeregt (Edelgas-Ionenlaser [Elektronenstoß] oder He-Ne-Laser [Stoß2.Art])
➢ optisches Pumpen: Die Frequenz des Pumplichts muss größer sein als die des Laserübergangs. Dieser Mechanismus ist nur für optisch dichte Lasermedien
geeignet, da das Pumplicht effektiv absorbiert werden muss (Festkörper- und Farbstofflaser).
➢ chemische Reaktion: Das gasförmige Lasermedium wird durch stark exotherme, chemische Reaktionen angeregt (Excimerlaser)
➢ Stromdurchgang: Strominjektion führt zur Besetzungsinversion zwischen Leitungs- und Valenzband. In einem sogenannten pn-Übergang erfolgt die optische Relaxation durch den Laserübergang (Halbleiterlaser)
Emission
- Absorption:
aktive Medium nimmt Energie auf, sofern der Abstand der beiden Energieniveaus E(n) und E(m) entspricht - Spontane Emission:
Atom fällt zurück in seinen Grundzustand (Energieabgabe in Form eines Photons) - Stimulierte Emission:
trifft dieses Photon auf ein weiteres angeregtes Atom, erzeugt dies die Emission eines zweiten Photons (beide Photonen haben die gleiche Wellenlänge)
Unterschied: Besetzungsinversion vs Besetzungsniveau
Besetzungsinversion:
- in einem höheren Energieniveau sind mehr Atome als in einem darunterliegenden,
- somit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon mit einem angeregtem Atom während der Lebensdauer des angeregten Zustand Wechselwirkt
Besetzungsniveau:
- es befinden sich immer mehr Atome auf einem bestimmten Energieniveau als auf dem nächsthöheren
- > Boltzmann-Verteilung
Laserpumpprozess
➢ Gasentladungen bei gasförmigen Lasermedien,
➢ Optische Anregung durch Blitzlampen oder Pumplaser,
➢ Pumpen durch elektrischen Strom bei Halbleiterlase,
➢ Pumpmechanismus dient der Erzeugung der Besetzungsinvers,
➢ Pumpfprozess nach aktivem Medium:
- Stoßanregung der Atome, Ionen oder Molekühle,
- Optische Pumpen,
- chem. Reaktion,
- Stromdurchgang
Verstärkungsprozess (einfach)
- Signal wird in einem Verstärker durch Energiezufuhr aus einer Pumpe verstärkt -➢ ohne Pumpe oder Signalquelle keine Verstärkung
- mit Rückkoppelung: Verstärkung auch wenn Signalquelle abgeschaltet wird, solange die Pumpquelle vorhanden ist,
- Im Laserprozess:
Signalquelle liegt im Verstärker: Durch die Pumpquelle angeregte
Atome senden durch spontane Emission Photonen aus, die über die induzierte Emission
anderer angeregter Atome verstärkt werden.
Laserstrahlung - Eigenschaften ( gegenüber Strahlung konventioneller Lichtquellen)
➢ Geringe spektrale Linienbreite
➢ Starke Bündelung (geringe Divergenzwinkel)
➢ Hohe Strahlintensität und –energie
➢ Eignung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse
Kohärenz
Mit dem Begriff Kohärenz wird beschrieben, wieweit die elektrische Feldstärke in einem realen Wellenfeld mit statistisch schwankender Amplitude und Phase an verschiedenen Punkten oder zu verschiedenen Zeiten zusammenhängt/ korreliert ist und damit einer idealen Welle mit definierter Amplitude und Phase nahekommt. Eine ideale ebene/Kugelwelle wird als kohärent bezeichnet.
Wichtig: - Kohärenzeigenschaften von Licht (vor allem bei Interferenzanordnungen)
- Mit kohärentem Licht können Interferenzeffekte (konstruktive Überlagerung und Auslöschung) beobachtet werden, während bei
inkohärentem Licht keine Interferenzen auftreten und sich die Intensitäten additiv überlagern
Kohärenz - Zeitliche vs Örtliche
zeitliche Kohärenz: (Interferometer)
- die Länge eines in Phase schwingenden Wellenzuges.
- Kohärenzlänge im natürlichen Licht bei wenigen μm und bei Lasern, die zur
Messtechnik eingesetzt werden, bei mehreren hundert Metern.
örtliche Kohärenz: (Doppelspalt)
- ist die Breite einer Wellenfront gleicher Phase
- nachweisen mit dem Doppelspaltversuch nachgewiesen werden.
- Die Intensitätsverteilungen folgen in beiden Fällen einer cos²-Funktion.
Zeitliche Kohärenz - Interferometer von Michelson
- Das Licht der Quelle wird zum Teil von dem halb durchlässigen Strahlteiler reflektiert.
- Durch Reflexion an Spiegel 1 und Transmission durch den Strahlteiler gelangt es in den Detektor.
- Der andere Teil des von der
Quelle kommenden Strahls transmittiert durch den Strahlteiler, wird dann am Spiegel 2 reflektiert, dann vom Strahlteiler reflektiert und gelangt somit ebenfalls in den Detektor. - Dort kann aufgrund des Gangunterschiedes beider Strahlenteile konstruktive bzw. destruktive Interferenz auftreten.
- Eingesetzt wird das Michelson-Interferometer zur
Wellenlängenbestimmung, als Längenmessgerät und zur Bestimmung von
Brechungszahlen.
Polarisierbarkeit von Laserstrahlung - Arten/Sonderfälle
-Lineare Polarisation:
Der Feldvektor zeigt immer in eine feste Richtung (bzw. die Gegenrichtung dazu) und ändert bei Voranschreiten der Welle seinen Betrag periodisch mit einer vorgegeben
Amplitude.
- Zirkulare Polarisation:
Der Feldvektor dreht sich bei Voranschreiten der Welle mit konstanter
Winkelgeschwindigkeit um den Wellenvektor und ändert seinen Betrag dabei nicht. - Elliptische Polarisation:
Der Feldvektor rotiert um den Wellenvektor und ändert dabei periodisch den Betrag. Die Spitze des Feldvektors beschreibt dabei eine Ellipse.
Lineare und zirkulare Polarisation können auch als Grenzfall der elliptischen Polarisation aufgefasst
werden. Beim Laser kann bereits während der Anregung im Resonator eine Polarisation erzeugt
werden.
Polarisierbarkeit von Laserstrahlung - Entstehung
- Eine Transversalwelle ist durch zwei Richtungen charakterisiert: Den Wellenvektor, der in
Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor, der bei Transversalwellen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen
Freiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Zeigt der Feldvektor nicht in eine beliebige Richtung, liegt eine Polarisation vor.
Mit Hilfe von Polarisatoren und Phasenschiebern lassen sich die einzelnen
Polarisationsrichtungen herausfiltern und ineinander überführen
