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Laser Von Prof. Dr. sc. nat. Fritz Kurt Kneubühl und Prof. Dr. sc. nat. Markus Werner Sigrist Eidgenössische Technische Hochschule Zürich 5., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit zahlreichen Figuren und Tabellen B. G. Teubner Stuttgart . Leipzig 1999 Prof. Dr. sc. nat. Fritz Kurt Kneubühl Geboren 1931 in Zürich, Studium der Physik an der ETH Zürich, Diplom 1955 und Promotion 1959. Anschließend Ramsay Memorial Fellow, University College London und University of South ampton. 1960 Graefflin Fellow, The Johns Hopkins University, Baltimore, USA. Ab 1961 wieder an der ETH Zürich: 1963 Privatdozent, 1966 Assistenz-Professor, 1970 a. o. Professor, 1972 o. Professor, 1978-1980 Vorsteher Physik-Departement, 1986 Mitbegründer sowie 1986-1987 und 1992-1993 Vorsteher des Instituts für Quantenelektronik, 1998 Professor em. 1976-1978 Vorsitzender Quantum Electronics Division, European Physical Society. 1975-1993 Regional Herausgeber "Infrared Physics"; 1994- Herausgeber "Infrared Physics & Technology". 1976- Scholar of the Johns Hopkins Univ., Baltimore, USA. 1989 L. Eötvös Medaille, Ungar. Phys. Gesellschaft. 1990 ausw. Mitglied Akademie der Wissenschaften, Berlin. 1994 K. J. Button Preis & Medaille, Institute of Physics, London. Arbeitsgebiete: Quantenelektronik und Infrarotphysik, insbesondere Gaslaser, Spektroskopie der kondensierten Materie, Solar-und Astrophysik, Atmosphärenphysik, Plasmaphysik, Bauphysik. Prof. Dr. sc. nat. Markus Werner Sigrist Geboren 1948 in Ilinau, Kanton Zürich, Studium der Physik an der ETH Zürich, Diplom 1972 und Promotion 1977. 1978-1980 Forschungsaufenthalt an der University of California in Berkeley, USA und am Lawrence Berkeley Laboratory. Ab 1980 wieder an der ETH Zürich, 1986 Privat dozent und 1996 Titularprofessor. 1990 Gastprofessor Rice Universität in Houston, USA und seit 1994 Adjunct Professor daselbst. 1985-1990 Vorstandsmitglied der Quantum Electronics Division, European Physical Society und Herausgeber "Quantum Electronics Division News letter", seit 1993 Vorstandsmitglied der Schweizerischen Gesellschaft für Optik und Mikroskopie, 1999 Fellow Opt. Soc. Am. (OSA). Arbeitsgebiete: Laser (insbesondere Neuentwicklungen abstimmbarer In frarotlaser) , Laser spektroskopische Anwendungen in der Umweltanalytik, Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Materie, Laserphotoakustische und -photothermische Studien an Spurengasen, Flüssigkeiten und an beschichteten Festkörperoberflächen. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Kneubühl, Fritz Kurt: Laser: mit zahlreichen Tabellen / von Fritz Kurt Kneubühl und Markus Werner Sigrist. - 5., überarb. und erg. Aufl. - Stuttgart; Leipzig: Teubner, 1999 (Teubner-Studienbücher : Physik) ISBN 978-3-519-43032-2 ISBN 9789-738--332-322-92-39837857-56-6 ( e(BeBooookk)) DOI 10.1007/978-3-322-93875-6 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. © 1999 B. G. Teubner, Stuttgart . Leipzig Satz: Werksatz Schmidt & Schulz, Gräfenhainichen Vorwort Seit vielen Jahren halten wir an der ETH Zürich einführende und fortge schrittene Laser-Vorlesungen für Studierende der Physik ab 5. Semester und für Doktorierende. Eine derartige Vorlesung ist an der ETH Zürich für Phy sikerlnnen seit 1990 obligatorisch. Da zudem Laser und ihre Anwendungen in der Technik immer bedeutsamer werden, gibt es seit einiger Zeit auch Laser-Vorlesungen für Studierende der Ingenieurwissenschaften. Unter die sem Gesichtspunkt kamen wir zum Schluß, unseren immer zahlreicheren Studierenden anstelle unserer eigenen vervielfältigten Vorlesungsnotizen ein Laser-Buch zu empfehlen. Wir fanden jedoch, daß die vorliegenden, meist älteren deutschsprachigen Laser-Lehrbücher unseren Wünschen nicht voll entsprachen. Nachdem von verschiedener Seite Interesse bekundet wurde, unsere Vorlesungsnotizen nach Überarbeitung als Buch zu ver öffentlichen, haben wir uns nach verständlichem Zögern darauf eingelassen. Maßgebend dafür war auch die Bereitschaft von Dr. Robert Kesselring, dipl. Phys. ETH, mitzuwirken und uns mit Rat, Tat und Kritik beizustehen. Auch letzteres war uns wichtig, da er die Vor- und Nachteile unseres Unter richts als Assistent und ehemaliger Hörer kannte. Ihm sind wir zu großem Dank verpflichtet, ebenso unseren vielen Fachkollegen und -kolleginnen in Ost und West, weIche uns seit über drei Jahrzehnten bei jedem Treffen neue Erkenntnisse über Laser mitteilen. Wir hoffen, daß sie, vor allem aber auch die Studierenden, dieses Buch willkommen heißen. Das vorliegende Werk ist gedacht als Lehr- und Sachbuch für Physiker, Ingenieure und Naturwissenschafter an Hochschulen und in der Industrie. Um diesem Zweck zu dienen, berücksichtigt es im ersten Teil grund legende, eher theoretische, im zweiten mehr experimentelle Aspekte. In dieser Hinsicht haben wir beim Schreiben die Themen gemäß unseren Ver anlagungen und Erfahrungen aufgeteilt. Um die Einheit des Buches trotz dieser Auft eilung zu wahren, haben wir es fast jeden Tag diskutiert. Die Entwicklung von Theorie und Experiment ist im Bereich der Laser weit fortgeschritten. Kennzeichnend dafür ist, daß Laser-Theoretiker und -Prak tiker den Kontakt verlieren. Wir haben uns daher beflissen, in keines der Extreme abzugleiten und die neuesten Entwicklungen zu berücksichtigen. 4 Vorwort Leider herrscht in der deutschsprachigen Fachwelt keine Einigkeit über die Schreibweise vieler, ursprünglich englischer Fachausdrücke. Als Schweizer haben wir versucht, einen neutralen Pfad zwischen Labor und Duden zu finden. Vom Leser dieses Buches erwarten wir nur Kenntnisse in Elektrizität und Magnetismus, elektromagnetischen Wellen, etwas Quantenmechanik, Atombau und Festkörperphysik. Detaillierte wellenmechanische und quan tenmechanische Berechnungen haben wir vermieden. Auch waren wir bestrebt, alle physikalischen Größen, Formeln und Effekte durch Daten, Beispiele, Tabellen und Figuren dem Leser näher zu bringen. Um Verwir rung zu vermeiden, verwenden wir ausschließlich SI-Einheiten. Zur wei teren Information des Lesers zitieren wir am Ende jedes Kapitels histori sche Publikationen, umfassende Artikel und Spezial bücher, abgesehen vom umfangreichen Fachbuch-Verzeichnis im Anhang. Für die vorliegende 5. Auflage haben wir das Buch in wesentlichen Teilen überarbeitet und ergänzt. Dabei wurde vor allem den neuesten Laser-Ent wicklungen Rechnung getragen, insbesondere auf dem Gebiet der Halb leiter- und Festkörperlaser. Die ursprüngliche Reinschrift dieses Buches stammt von Frau D. Anliker, die Illustrationen zur Hauptsache von Frau G. Kägi und Frau I. Wiederkehr. Wir sind ihnen zu großem Dank verpflichtet für ihren Einsatz, der dieses Buch erst möglich gemacht hat. Weitere Unterstützung verdanken wir den Herren Dr. A. Kälin, H. J. Rohr, K. Seeliger, J.-P. Stucki undA. Wirth. Zürich, im Juni 1998 F. K. Kneubühl und M. W. Sigrist Inhalt A Einleitung 9 B Allgemeine Grundlagen 15 1 Elektromagnetische Strahlung . . . . . . 15 1.1 Elektromagnetische Wellen und Photonen 15 1.2 Kohärenz. . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3 Photonen-Statistik. . . . . . . . . . . . 24 2 Wechsel wirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit atomaren Systemen 27 2.1 Das Strahlungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2 Zweiniveau-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 Emission und Absorption elektromagnetischer Strahlung 32 2.4 Bilanz der Besetzungsdichten und Photonen 34 3 Prinzip der Laser . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1 Voraussetzungen für Strahlungs verstärkung 39 3.2 Schwellenbedingung für Laseroszillation 40 3.3 Erzeugung der Besetzungsinversion 46 3.4 Dynamik eines Zweiniveau-Lasers 47 4 Spektrallinien. . . . . . . . . . . 56 4.1 Klassisches Modell der homogenen Linienverbreiterung 57 4.2 Natürliche Linienbreite ............ 58 4.3 Verbreiterung durch strahlungsfreie Übergänge 60 4.4 Druckverbreiterung ..... 61 4.5 Doppler-Verbreiterung . . . . . . 62 4.6 Kombinierte Verbreiterungen 64 4.7 Wirkungen starker Laserstrahlung 65 C Laser-Resonatoren und Wellenleiter 69 5 Spiegel-Resonatoren . . . . . . . . . . 69 5.1 Strahlenoptik . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2 Stabilitätskriterien für Spiegel-Resonatoren 73 5.3 Prinzipien der skalaren Feldtheorie von Resonatoren 79 6 Inhalt 5.4 Fabry-Perot-Resonator................... 81 5.5 Konfokaler Resonator ................... 88 5.6 Allgemeine stabile Resonatoren mit sphärischen Spiegeln 96 6 Wellenleiter ......... 100 6.1 Mikrowellen-Hohlleiter............ 102 6.2 Überdimensionierte Hohlleiter . . . . . . . . . 112 6.3 Dielektrische Wellenleiter und optische Fasern 122 7 Periodische Laserstrukturen ....... . . . 139 7.1 Typen und Charakteristiken .......... 140 7.2 Wellengleichung des "distributed feedback" in Dauerstrich- Lasern ............. 144 7.3 Floquet-Matrix-Theorie 147 7.4 Theorie der gekoppelten Wellen 158 7.5 Strukturen mit Lücken . . 164 7.6 Helix-Laserstrukturen.. 167 7.7 "Grazing incidence"-Laser 171 8 Moden-Selektion . . . . . 175 8.1 Transversale Modenselektion 176 8.2 Longitudinale Modenselektion 177 D Laserpulse 187 9 Q-switch 187 9.1 Prinzip.. 187 9.2 Modell.. 188 9.3 Realisierung 192 10 Ultrakurze Laserpulse 198 10.1 Prinzip der Modenkopplung 200 10.2 Methoden der Modenkopplung 203 10.3 Kompression kurzer Laserpulse 211 10.4 Infrarot-Gaslaser.... 212 11 Instabilitäten und Chaos 215 11.1 Kriterium für Chaos 217 11.2 Bifurkationen 217 11.3 Wege zum Chaos 219 E Lasertypen 223 12 Gaslaser (gas laser) ........ 223 12.1 Helium-Neon-Laser (He-Ne-Laser) 226 Inhalt 7 12.2 Kupfer- und Golddampflaser 231 12.3 Argonionen-Laser (Ar+-Laser) 234 12.4 Excimerlaser . . . . . . . . . 239 12.5 Stickstoff-Laser (N -Laser) 247 2 12.6 Kohlendioxid-Laser (COrLaser) 251 12.7 Kohlenmonoxid-Laser (CO-Laser) 272 12.8 Ferninfrarot- und SubmilIimeterwellen-Gaslaser 277 13 Farbstofflaser (dye laser) ...... . 287 13.1 Energieniveauschema .. ..... . 288 13.2 Absorptions- und Emissionsspektrum 292 13.3 Laseraufbau 293 13.4 Laserdaten ............. . 304 13.5 Anwendungen 307 14 Halbleiterlaser (semiconductor lasers) 3\0 14.1 Prinzip des Halbleiterlasers ..... 3\0 14.2 Aufbau und Charakteristiken der verschiedenen Halbleiter- laser ......... .. . 314 14.3 Typische Diodenlaser-Daten .. . 334 14.4 Anwendungen ......... . 335 15 Festkörperlaser (solid state lasers) 338 15.1 Rubinlaser (ruby lasers) .... . 338 15.2 Neodymlaser .......... . 343 15.3 Weitere nicht abstimmbare Festkörperlaser 354 15.4 Abstimmbare Festkörperlaser .... 357 15.5 Farbzentrenlaser (color center lasers) 368 16 Chemische Laser (chemicallasers) 380 16.1 HF-Laser ....... . 380 16.2 Weitere chemische Laser 382 17 Free-Electron-Laser 384 Anhang 391 AI Physikalische Konstanten 391 A2 Zehnerpotenzen und Logarithmen 392 A3 Elektromagnetisches Spektrum 392 A4 AlIgemeine Laser-Literatur 394 Sachverzeichnis 401 A Einleitung Die Bezeichnung LASER ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Der Laser beruht auf dem gleichen Prinzip wie der zuvor erfundene Maser. MASER steht für ,,Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation", oder, wie böse Zungen kurz nach der Entdeckung im Jahre 1954 spotteten, ,,Means of Attaining Support for Expensive Research". Als der Laser 1960 erfunden wurde, bezeichnete man ihn als "optical maser" oder "infrared maser". Erst seit etwa 1965 verwendet man allgemein das Wort Laser. Etwa um die gleiche Zeit spielte man mit den Begriffen IRASER und SMASER anstelle der heute üblichen Infrarot-Laser und Submillimeterwellen-Laser. Der Laser wirkt als Oszillator und Verstärker für monochromatisches Licht, Infrarot und Ultraviolett. Er beherrscht heute in diesen Funktionen un beschränkt den Wellenlängenbereich zwischen etwa 0.1 f!m und 3 mm, d. h. rund 15 Oktaven des elektromagnetischen Spektrums. Zum Vergleich muß man erwähnen, daß das sichtbare Licht nur die Oktave von ca. 0.37 bis 0.75 f!m Wellenlänge umfaßt. Es gibt die verschiedensten Typen von Lasern mit Leistungen von unter I f! W bis über I TW und in Größen von unter 1 mrn bei Halbleiter-Lasern bis zu 100 m bei Fusions-Lasern. Jedoch sind ihre Eigenschaften mehr oder weniger die gleichen. Die Strahlung eines Lasers ist meist in einem engen Strahl gebündelt, der sich auf Distanz nur geringfügig aufweitet. Diese Aufweitung erfolgt nur noch durch unvermeidliche Beugungseffekte. So verbreitert sich z. B. ein sichtbarer Laserstrahl mit Wellenlänge 0.6 ~tm und Durchmesser 2 mm in 100 m Distanz auf nur 3 cm. Dies ist heute von Bedeutung in Vermessung und Kommunikation. Laserstrahlung ist unter Umständen äußerst monochromatisch. Laser, wei che sichtbares Licht- mit Frequenzen von etwa 4· 1014 bis 7.1014 Hz emit tieren, haben häufig Bandbreiten von I MHz bis 1 GHz. Diese entsprechen relativen Bandbreiten von nur 2· 10-6 bis 10-9. Jedoch existieren stabili sierte optische Laser mit einer Bandbreite von unter I Hz. Dies bedeutet eine spektrale Reinheit besser als 10-15. Laser eignen sich daher als Fre quenz- und Zeitnormale. F. K. Kneubühl et al., Laser © B. G. Teubner, Stuttgart · Leipzig 1999 10 A Einleitung Der Wirkungsgrad der Laser, definiert als Verhältnis zwischen abgegebener Strahlungsleistung und aufgewendeter elektrischer Leistung, ist meist unter 0.1 %, also gering. Doch gibt es auch Laser mit relativ hohem Wirkungs grad, z. B. 10 ~lm CO2-Laser mit ca. 20 %. Der höchste erreichte Wirkungs grad beträgt etwa 40 %. Ebenso sind die Ausgangsleistungen vieler Laser nicht hoch, z. B. I mW beim häufig verwendeten Helium-Neon-Laser, 10 bis 100 W bei einem großen Argonionen- oder YAG-Laser, 1 kW bei einem COrLaser. Da jedoch die Strahlung eines Lasers auf einen Fleck von wenigen Wellenlängen Durchmesser fokussiert werden kann, erreicht man hohe Strahlungsintensitäten. Fokussiert man die optische oder nahinfrarote Strahlung eines 100 W-Lasers auf einen Fleck von 10 ~lm2, so erreicht man eine Intensität von I GW/cm2 = 10 TW/m2. Das entsprechende elektrische Feld beträgt etwa 60 MV/rn. Benutzt man einen gepulsten 100 MW-Laser, so erreicht man kurzzeitig Intensitäten von 1019W/m2 und Felder von 60 GV/m. Einer hohen Strahlungsintensität entsprechen auch starker Photo nenfluß und hohe Photonendichte. Licht mit der Wellenlänge 0,6 ~m besteht nach Planck aus Photonen mit der Energie 3.3.10-19 J. Demnach bedeutet eine Intensität von 1 GW/ cm2 einen Photonenfluß von 3 . 1027 cm-2 S-I und eine Photonendichte von 1017 cm-3. Bei derartigen Photonendichten kann es geschehen, daß simultan zwei oder mehr Photonen mit einem Atom oder Molekül reagieren. Dieses Phänomen eröffnete neue Aspekte der Spektro skopie. Da die Laserstrahlung wie zuvor erwähnt meist äußerst monochromatisch ist, liegen die oben aufgeführten Intensitäten, Photonenflüsse und Photonen dichten in einem engen Frequenzintervall. Eine Leistung von 10 W in einem Frequenzintervall von 1 MHz ist für einen Laser nichts außergewöhnliches. Vergleichen wir den Laser in dieser Hinsicht mit einem thermischen, ideal schwarzen Strahler, so müßte letzterer eine Temperatur von 107 Kaufweisen damit er im gleichen Frequenzintervall dieselbe Leistung abgeben würde. Die kontinuierlich betriebenen Laser, englisch "cw lasers", emittieren streng harmonische Wellen mit konstanter Amplitude. Sie können sowohl in der Amplitude (AM) als auch in der Frequenz (FM) bis zu Mikrowellen frequenzen um I 0 GHz moduliert werden. Die Grenzfrequenz der Modula tion wird maßgeblich bestimmt vom Frequenzumfang des Verstärkungs profils des Lasermediums. In der üblichen Elektronik ist 0.3 ns etwa die untere Grenze für Pulsdauer oder Ansprechzeit, englisch "response time". Heute produziert man Laser pulse, englisch "laser pulses", von unter 10 fs Dauer. Laserpulse sind also bis zu 30000 mal kürzer als die Pulse der Elektronik. Zieht man in Be- A Einleitung 11 tracht, daß die Lichtgeschwindigkeit etwa 300000 km/s beträgt, so findet man, daß die Länge eines 10 fs-Laserpulses etwa 3 flm beträgt. Ein solcher sich in einem Medium wie z. B. Luft ausbreitender Laserpuls entspricht nicht mehr einem Lichtstrahl, sondern einem dünnen Film elektromagneti scher Anregung, der sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Ein derart kurzer Laserpuls weist wegen den Eigenheiten der Fourier-Transformation ein enorm breitbandiges Frequenzspektrum auf. Ein Laserpuls in der Form einer Gauß-Funktion mit der Halbwertsbreite 10 fs hat eine entsprechende Breite von 44 THz im Freuquenzspektrum. Schließlich muß auch erwähnt werden, daß in einem Laserpuls von 10 fs Dauer und 3 flm Länge nur 5 optische Wellenlängen von 0.6 flm enthalten sind. In Anbetracht all dieser bemerkenswerten Eigenschaften dürfen die Laser zusammen mit den y-Strahlern von Mößbauer als hervorragende Quellen elektromagnetischer Strahlung bezeichnet werden. Seit ihrer Entdeckung im Jahre 1960 haben die Laser in Wissenschaft und Technik eine Entwicklung angebahnt, die unsere Zivilisation auch in Zukunft beeinflussen wird. Unter diesem Gesichtspunkt ist ein kurzer historischer Überblick der Erfindung und Entwicklung des Lasers gerechtfertigt. Da eine detaillierte Historie den Rahmen dieses Buches sprengen würde, beschränken wir uns auf eine Liste der vielleicht wichtigsten Ereignisse und Beteiligten. Mögen uns die ver zeihen, welche aufgrund unserer Unwissenheit nicht aufgeführt sind. Damit der Leser die Übersicht bewahrt, teilen wir diese Liste in drei Abschnitte, welche die historische Entwicklung bis zur Entdeckung des Lasers, Laser medien sowie Laser-Konzepte und -Strukturen betreffen. Historischer Überblick a) Von der Idee zur Realisierung 1917 A. Einstein: Zur Quantenmechanik der Strahlung, spontane und stimulierte Emission 1928 R. Ladenburg et a1.: experimenteller Nachweis der stimulierten Emission in Gasentladungen 1951 V. A. Fabrikant, Vorschlag elektromagnetische Strahlung in einem Medium zu verstärken, in dem durch eine Hilfsstrahlung eine überwiegende Beset zung höherer Energiezustände bewirkt wird 1951 Ch. H. Townes et al.: Diskussion der Möglichkeiten eines derartigen Ver stärkers 1954 Ch. H. Townes et al.: erster MASER mit Ammoniak-Molekülen 1954 N. G. Basov und A. M. Prokhorov: Vorschläge und Rechnungen zu einem Mikrowellen-Oszillator der auf stimulierter Emission beruht
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