VL 2 - Übung Flashcards
Lasertypen
Diodenlaser:
- Seitenemitter,
- Vertikalemitter,
Festkörperlaser:
- Kurzpulslaser,
- Ultrakurzpulslaser (Sonderform der Festkörperlaser),
- Gaslaser (z.B. HeNe, Excimer, CO2-Laser)
Wärmetransportmechanismen (bei kühlung)
- Wärmeleitung: ausschließlich in Festkörpern,
- Konvektion: Wärmeübergang in Gasen und Flüssigkeiten (Anströmungsart,
Strömungsgeschwindigkeit von Bedeutung), - Wärmestrahlung: Wärmeübertragung aus Strahlung (nicht an Materie gebunden)
Verlustmechanismen eines blitzlampengepumpten Nd:YAG-Lasers +
prozentualen Anteil am Verlust
- Thermische Verluste (Lampen) - 50%
- Pumpverluste 42%,
- Optische Verluste 6%.
4 verschiedene Aufbaukonzepte für diodengepumpte Festkörperlaser?
- Stablaser,
- Scheibenlaser,
- Faserlaser,
- Slablaser.
Aufbau eines endgepumpten Faserlasers.
Der Aufbau eines Faserlasers entspricht einer Stufenindexfaser, die mit einem Pumpkern um den Faserkern erweitert wird. Der Faserkern hat einen Durchmesser von 1 bis 40 μm (Singlemode). Der Pumpkern wird in der Regel von der Endfläche her mit Diodenlasern gepumpt. Die Länge der aktiven Faser beträgt typischerweise 10 bis 15 m. Sowohl kürzere als
auch längere Faserlängen sind möglich.
Möglichkeiten zur Pulserzeugung
- Rotierende Blende,
- Gepulste Anregung (z. B. Blitzlampen),
- Güteschaltung (Sperren des Resonators während des Pumpens),
- > Durch Unterbrechung des Strahlengangs,
- > Durch Erhöhung der internen Verluste,
- Modelocking.
Q-Switch bzw. Güteschaltung
- Sperrung des Resonators -> hohe Besetzungsinversion,
- Öffnen des Resonators -> lawinenartiges Abräumen.
Güteschalter
- Zuerst hohe Resonatorverluste (geringe Resonatorgüte),
- Laserschwelle wird nicht erreicht und die gespeicherte Energie (Besetzungsinversion) steigt bis zum Maximum,
- Im Zustand maximaler Verstärkung wird die Resonatorgüte erhöht,
- Kettenreaktion mit lawinenartigem Anstieg der Photonenzahl,
- Kurze Pulse mit sehr hoher Spitzenleistung.
Q-Switch-Resonator mit elektrooptischem Modulato
Mit elektrooptischen Bauelementen wird die Polarisationsrichtung der Strahlung gedreht. Mit Hilfe
eines Polarisationsfilters wird danach die Drehung in eine Modulation der Intensität umgesetzt.
Zwischen zwei identisch ausgerichteten Polarisatoren steht eine Pockelszelle. Diese Zelle besteht
im Inneren aus einem doppelbrechenden Kristall (Zerlegung eines Lichtbündels in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbündel aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung und Polarisation des Lichts) und verändert so in Abhängigkeit einer angelegten elektrischen Spannung die nichtlinearen optischen Eigenschaften. Durch Anordnung je eines Polarisationsfilters vor und hinter dem Kristall kann die Polarisationsrichtung um 90°
gedreht werden (l/2-Verzögerung) wodurch die durchgehende Lichtintensität zwischen 0 und 100% verändert werden kann. Damit lässt sich die Anordnung als schneller Schalter für Licht
verwenden.
Modelocking
Modelocking bzw. Modenkopplung, die Synchronisation vieler einzelner Lasermoden
unterschiedlicher Frequenz zu einer Schwebung zur Erzeugung einer Pulsüberhöhung (konstruktive Überlagerung der Feldstärkeamplituden an einem Ort). Dabei werden die einzelnen Moden des Resonators in eine feste Phasenbeziehung gebracht, so dass über die Fourier-
Transformation ein zeitlich kurzer Lichtimpuls bis in den Femtosekundenbereich entsteht. Der Begriff rührt daher, dass bei einer möglichst großen Anzahl von Moden eine konstante
Phasenbeziehung zueinander angestrebt wird.
Unterschied: Aufbau Q-Switch-Lasers vs Lasers für Modelocking
Prinzipiell ist der Aufbau beider Systeme sehr ähnlich. Sowohl Q-Switch als auch aktive Modenkopplung kann z.B. mithilfe einer Pockels-Zelle realisiert werden.
Q-Switch-Laser:
- Hohe Besetzungsinversion und dann lawinenartiges Abräumen,
- Lichtsperre,
Modelocking:
- Herstellung fester Phasenbeziehungen möglichst vieler Eigenschwingungen,
- Breitbandiges aktives Medium.
Wovon hängt die Pulsdauer beim Q-Switch-Laser bzw. bei einem Modelocking-Laser ab?
Q-Switch-Laser:
- Abhängig von der Resonatorlänge (nicht stationäre Methode);
- je kürzer der Resonator, desto kürzer der Puls aber desto geringer auch die mittlere Leistung und die
Pulsspitzenleistung,
Modelocking:
- Abhängig von der Anzahl der Moden (stationäre Methode);
- je mehr Moden im
Resonator kohärent zueinander schwingen, desto kürzer werden prinzipiell die Laserpulse.
MOPA
eim Erzeugen kurzer Pulse mittels Q-Switch besteht das Problem, dass die Pulsdauer durch die Resonatorlänge festgelegt wird. Um kurze Pulse zu erzeugen, sollte die Resonatorlänge daher
möglichst kurz sein. Dadurch wird aber auch die Größe des aktiven Mediums begrenzt, sodass sowohl mittlere Leistung als auch Pulsspitzenleistung begrenzt sind. Ein MOPA besteht aus einem Q-Switch Laser mit kurzem Resonator. Dieser sogenannte Master Oszillator bestimmt die Wellenlänge, die Strahlqualität und die Pulsdauer des Systems. Ein Power Amplifier besteht nur
aus einem aktiven Medium, das kontinuierlich gepumpt wird. Da dort kein Resonator vorhanden ist, gibt es überwiegend nur spontane Emission und es findet kein Laserbetrieb statt. Dadurch liegt dort eine Besetzungsinversion vor. Löst der Master Oszillator innerhalb der Lebensdauer des
oberen Laserniveaus des Power Amplifiers einen Puls aus, wird dieser im Power Amplifier also extern verstärkt. Sollten zufällig in Achsrichtung des Systems emittierte Photonen eine
Verstärkung auslösen, verhindert der Faraday Isolator eine Rückkopplung mit dem Master
Oszillator.
Möglichkeiten zur Pulserzeugung
- Rotierende Blende,
- Gepulste Anregung (z. B. Blitzlampen),
- Güteschaltung (Sperren des Resonators während des Pumpens),
- > Durch Unterbrechung des Strahlengangs,
- > Durch Erhöhung der internen Verluste,
- Modelocking,
Was bedeutet Q-Switch?
Güteschaltung oder Q-Switch:
- Sperrung des Resonators -> hohe Besetzungsinversion
- Öffnen des Resonators -> lawinenartiges Abräumen
Güteschalter (aktiv, passiv)
- Zuerst hohe Resonatorverluste (geringe Resonatorgüte),
- Laserschwelle wird nicht erreicht und die gespeicherte Energie (Besetzungsinversion) steigt bis zum Maximum,
- Im Zustand maximaler Verstärkung wird die Resonatorgüte erhöht,
- Kettenreaktion mit lawinenartigem Anstieg der Photonenzahl,
- Kurze Pulse mit sehr hoher Spitzenleistung
