Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen

490 Pages·2015·7.11 MB·German

by  Hans Joachim Eichler

Hans Joachim Eichler
Jürgen Eichler
Laser
Bauformen, Strahlführung, Anwendungen
8. Aufl age
Laser
(cid:2)
Hans Joachim Eichler Jürgen Eichler
Laser
Bauformen, Strahlführung, Anwendungen
8., aktualisierte und überarbeitete Auflage
HansJoachimEichler JürgenEichler
InstitutfürOptikundAtomarePhysik FBIIMathematik,Physik,Chemie
TUBerlin BeuthHochschulefürTechnikBerlin
Berlin,Deutschland Berlin,Deutschland
ISBN978-3-642-41437-4 ISBN978-3-642-41438-1(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-41438-1
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Vorwort der achten, aktualisierten Auflage zum
„International Year of Light 2015“
DieUnitedNationshaben2015als„InternationalesJahrdesLichtesundderlichtbasierten
Technologien“ erklärt. Es „soll an die Bedeutung von Licht als elementare Lebensvor-
aussetzung für Mensch, Tier und Pflanzen und daher auch als zentraler Bestandteil von
Wissenschaft und Kultur erinnern. Wissenschaftliche Erkenntnisse über Licht erlauben
ein besseres Verständnis des Kosmos, führen zu besseren Behandlungsmöglichkeiten in
der Medizin und zu neuen Kommunikationsmitteln“. Die Nobelpreise 2014 für Physik
undChemiebelegendieaktuelleBedeutungderOptikundPhotonik,woLaserlichtquel-
lendieTechnologievorantreiben.
Im Mai 1960 demonstrierte T. Maiman in den Hughes Research Laboratories, Kali-
fornienden ersten funktionierendenLaser. Ein Mitarbeiter desUS-amerikanischen Wis-
senschaftlers beobachte mit einem Rubinstab, der mit einer Blitzlampe angeregtwurde,
erstmals einerotemittierendekohärenteStrahlungsquelle. DieErfindungdesLasers be-
ruht auf theoretischen Vorarbeiten von Basov und Prokhorov,UdSSR, sowie Schawlow
undTownes,USA,diedafürimJahre1964denNobelpreiserhaltenhaben.
In den 1960folgendenJahrzehnten entstanden viele unterschiedlicheLasertypen, die
zunehmendEinsatzfürverschiedeneAnwendungenfanden.VieletausendWissenschaft-
ler und Ingenieure waren daran beteiligt. Laser, Photonik und Optik entwickelten sich
schnellweiter,sodassregelmäßigeNeubearbeitungendesBuchesnotwendigsind,umden
aktuellen wissenschaftlichen und technologischen Stand zu skizzieren. Gleichzeitig soll
mitdieser neuenAuflagedieVerbreitungals eBookin XML-Formaterleichtertwerden.
BesondersgroßeBedeutungbesitzenLaserfürwissenschaftlicheundtechnischeMessun-
gen,Informationstechnologien,MaterialbearbeitungundMedizin.DiesesBuchsolleinen
ÜberblicküberdiedafürverwendetenLaserundihreverschiedenenEinsatzmöglichkeiten
geben.
Inden Kap.1 und2 werdenGrundlagender Laserphysikdargestellt. Danachwerden
diespeziellenLasertypenund-materialienbeschrieben.DabeiwirdzunächstaufdieGas-
lasereingegangen,beidenendasLichtvonAtomen,IonenoderMolekülenemittiertwird.
Laser mit neutralen Atomen werden vorwiegend im sichtbaren Spektralbereich betrie-
ben. Dort arbeiten auch die Ionenlaser. Diese sind darüber hinaus wie UV-Moleküllaser
mitelektronischenÜbergängenfürdieultraviolettenSpektralbereichegeeignet.Infrarot-
MoleküllaserhabenkleineEmissionsfrequenzen,emittierenaberwiez.B.derKohlendi-
V
VI Vorwortderachten,aktualisiertenAuflagezum„InternationalYearofLight2015“
oxidlaser hoheLeistungen.Sehr aktuelleLasertypen,dieFestkörper-,Halbleiter-, Freie-
Elektronen-undRöntgenlaser,werdenjeweils indenKap.9bis11beschrieben.Beider
Darstellung der verschiedenen Laser wird auch kurz auf typische Anwendungen einge-
gangen. Von immer größerer Bedeutung sind die in Kap. 10 dargestellten Halbleiter-
Diodenlaser,beidenensichindenletztenJahrenwiedervieleNeuerungenergebenhaben.
Diodenlaser werden für viele Anwendungen direkt eingesetzt und dienen auch zum
PumpenvonFestkörperlasern,diedannvorteilhafteStrahlparameter,z.B.hohePulsener-
gienausweisen.
IndenKap.13undfolgendenwerdenoptischeLaserkomponenten,wieSpiegel,Pola-
risatoren und Modulatorenbeschrieben,mit denen Laser in verschiedenenBetriebsarten
aufgebautwerdenkönnen.VonbesonderemInteresseistdabeiderPulsbetrieb,derAufbau
vonfrequenzstabilen,schmalbandigenLasernsowievonabstimmbarenLasern.Indiesem
ZusammenhangwirdauchdieexterneFrequenzumsetzungdurchnichtlineareoptischeEf-
fektekurzdargestellt.AußerdemwerdenGerätezurCharakterisierungderLaserstrahlung
beschrieben.
AbschließendwirdeinÜberblickderverschiedenenAnwendungsgebieteundderZu-
kunftsperspektivenderLaserentwicklunggegeben.MitderzunehmendenVerbreitungdes
Lasers wird die Einhaltungvon Sicherheitsvorschriften immer wichtiger, die in Kap.24
skizziertsind.
DasvorliegendeBuchistausManuskriptenvonVorlesungenentstanden.Dabeigehen
wir in Vorlesungen an vielen Stellen wesentlich tiefer auf theoretische Ableitungen ein,
während sich dieses Übersichtsbuch auf die Darstellung von Ergebnissen konzentriert.
Abiturwissen in Mathematik sollte zum Verständnis ausreichen. Das Buch wird daher
nichtnurvonUniversitäts-undFachhochschulstudenten,sondernauchvonIngenieuren,
LehrernsowieSchülernverwendet.
Bilder wurden uns von Kollegen und Firmen überlassen, die in den jeweiligen Bild-
unterschriften zitiert sind. Außerdem haben uns Prof. Th. Moeller, Prof. H. Weber und
Prof. U. Woggon sowie unsere Mitarbeiter Dipl. Phys. Haro Fritsche, Frau A. Haack,
Dr. O. LuxundFrau C.Scharfenorthsehr geholfen.Ebensodankenwir Prof.G. Anker-
hold,FachhochschuleKoblenz,HerrnE.Bergmann,Fa.CoherentGöttingen,Dipl.Phys.
M.Grehn,Uni-KlinikWürzburg,Dr.E.Haack,Fa.Inofex,Berlin,undPDDr.E.Soergel,
UniversitätBonn.
Berlin,Juli2015 H.J.Eichler,J.Eichler
Inhaltsverzeichnis
1 Licht,Atome,Moleküle,Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 EigenschaftenvonLicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Atome:Elektronenbahnen,Energieniveaus . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 AtomemitmehrerenElektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 EnergieniveausinFestkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 EnergiebänderinHalbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 AbsorptionundEmissionvonLicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 SpontaneEmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 LichtverstärkungdurchinduzierteEmission . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Linienbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Inversionserzeugungund-abbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6 LichtemissiondurchbeschleunigteElektronen . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7 AufbauvonLasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.8 ZeitlichesEmissionsverhalten,Ratengleichungen . . . . . . . . . . . . 44
2.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Lasertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1 WellenlängenundAusgangsleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 AbstimmbareLaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3 FrequenzstabileLaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 Hochleistungslaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5 UltrakurzeLichtimpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 Laserparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4 LaserübergängeinGasenausneutralenAtomen . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1 Helium-Neon-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
4.2 Metalldampf-Laser(Cu,Au) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3 Jodlaser,COIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 Ionenlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1 LaserfürkurzeWellenlängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 Edelgasionenlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3 Metalldampfionenlaser(Cd;Se;Cu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6 Infrarot-Moleküllaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1 Ferninfrarot-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 CO -Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2
6.3 CO-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.4 HF-Laser,ChemischeLaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 UV-Moleküllaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.1 Stickstofflaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.2 Excimerlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.3 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8 Farbstofflaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.1 LasermitorganischenFarbstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.2 FarbstofflasergepumptmitGas-oderFestkörperlasern . . . . . . . . . 130
8.3 OrganischeFestkörper-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9 Festkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.1 Rubinlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.2 Neodym-YAG-LaserundAlternativen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.3 Glaslaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.4 Erbium,Holmium-undThuliumlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.5 AbstimmbareFestkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.6 DiodengepumpteFestkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
9.7 Faserlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
10 Halbleiterlaser,Diodenlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.1 Lichtverstärkunginpn-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.2 GaAlAs-undInGaAsP-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
10.3 BauformenvonDiodenlasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.4 EmissionseigenschaftenvonDiodenlasern . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Inhaltsverzeichnis IX
10.5 FrequenzabstimmungvonDiodenlasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
10.6 OberflächenemittierendeDiodenlaser(VCSEL) . . . . . . . . . . . . . 198
10.7 HalbleiterlaserfürtieferesInfrarotundTHz-Strahlung . . . . . . . . . 201
10.8 Violette,blaueundgrüneGaN-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10.9 HalbleiterlaserfürdieTelekommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
10.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
11 FELs,kohärenteRöntgen-undAtomstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
11.1 Freie-Elektronen-Laser(FEL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
11.2 Röntgen-undXUV-LasermithochionisiertenAtomen . . . . . . . . . 213
11.3 KohärenteAtomstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
11.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
12 AusbreitungvonLichtwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
12.1 EbeneundKugel-Wellen,Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
12.2 Gauß-Strahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
12.3 DurchgangvonGauß-StrahlendurchLinsen . . . . . . . . . . . . . . . 230
12.4 FernrohreundOrtsfrequenzfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
12.5 AusbreitungrealerLaserstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
12.6 OptischeMaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
12.7 OptischeFasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
12.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
13 OptischeResonatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
13.1 Planspiegelresonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
13.2 Hohlspiegelresonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
13.3 Resonatortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
13.4 InstabileResonatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
13.5 LasermitGrundmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
13.6 ResonatorenfürDioden-undFaserlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
13.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
14 SpiegelundAntireflexschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
14.1 ReflexionundBrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
14.2 Metallspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
14.3 DielektrischeVielschichtenspiegelundEntspiegelungen . . . . . . . . 279
14.4 Strahlteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
14.5 Phasenkonjugatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
14.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
15 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
15.1 ArtenderPolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
15.2 Doppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
X Inhaltsverzeichnis
15.3 Polarisatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
15.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
16 ModulationundAblenkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
16.1 MechanischeModulatorenundScanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
16.2 AkustooptischeModulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
16.3 ElektrooptischeModulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
16.4 OptischeIsolatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
16.5 SättigbareAbsorber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
16.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
17 Pulsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
17.1 Relaxationsschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
17.2 Güteschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
17.3 Puls-Auskopplung(cavity-dumping) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
17.4 Modenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
17.5 VerstärkungundKompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
17.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
18 Frequenzselektionund-abstimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
18.1 Frequenzabstimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
18.2 LongitudinaleModenselektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
18.3 Prisma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
18.4 Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
18.5 Fabry-Pérot-Etalon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
18.6 DoppelbrechendeFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
18.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
19 Frequenzumsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
19.1 Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
19.2 NichtlineareoptischeEffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
19.3 Frequenzverdopplungund-vervielfachung . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
19.4 ParametrischeVerstärkerundOszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
19.5 StimulierteRaman-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
19.6 Kontinuumserzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
19.7 ErzeugunghoherHarmonischerinGasen . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
19.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
20 StabilitätundKohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
20.1 Leistungsstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
20.2 Frequenzstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
20.3 Schrotrauschen,SqueezedStates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
20.4 Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
20.5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372