Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen

434 Pages·1998·10.43 MB·German

by  Prof. Dr. Jürgen Eichler

Laser in Technik und Forschung
Herausgegeben von
G. Herziger und H. Weber
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Jürgen Eichier Hans Joachim Eichier
Laser
Bauformen
Strahlführung
Anwendungen
Dritte, völlig neubearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 258 Abbildungen, 55 Tabellen,
149 Aufgaben und vollständigen Lösungswegen
Springer
Prof. Dr. Jürgen Eichler Prof. Dr-Ing. Hans Joachim Eichler
Technische Fachhochschule Berlin Technische Universität Berlin
Forum Seestraße Optisches Institut
Seestraße 64 Straße des 17. Juni 1935
13347 Berlin 10623 Berlin
Herausgeber der Reihe
Laser in Technik und Forschung:
Prof. Dr.-Ing. Gerd Herziger
Fraunhofer Institut für Lasertechnik Aachen
52074 Aachen
Prof. Dr.-Ing. Horst Weber
Festkörper-Laser-Institut Berlin GmbH
10785 Berlin
ISBN 978-3-662-08248-5 ISBN 978-3-662-08247-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08247-8
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Eichler, Jürgen:
Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen I Jürgen Eichler; Hans Joachim Eichler.-
3., völlig neubearb. und erw. Aufl. -BerIin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona; Budapest ; Hong Kong ;
London ; Mailand ; Paris; Santa Clara ; Singapur ; Tokyo : Springer, 1998
(Laser in Technik und Forschung)
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1990, 1991, 1998
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1998.
Softcover reprint ofthe hardcover 3rd edition 1998
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Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg
Datenkonvertierung: M. W. Leidig, Kulmbach
SPIN: 10567606 56/3144 -5 4 3 2 1 0 -Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort zur dritten Auflage
Der erste Laser wurde im Jahre 1960 gebaut. In den folgenden Jahrzehnten
entstanden viele verschiedene Lasertypen, die zunehmend Einsatz für ver
schiedene Anwendungen fanden. Besonders große Bedeutung besitzen Laser
für wissenschaftliche und technische Messungen, Informationstechnologien,
Materialbearbeitung und Medizin. Dieses Buch soll einen Überblick über die
dafür verwendeten Laser und ihre verschiedenen Einsatzmöglichkeiten geben.
In den ersten Kapiteln werden Grundlagen der Laseroptik gegeben. Da
nach werden die speziellen Lasertypen und -materialien beschrieben. Dabei
wird zunächst auf die Gaslaser eingegangen, die nach zunehmender Emis
sionsfrequenz gruppiert sind. Die Infrarot-Moleküllaser haben die kleinsten
Emissionsfrequenzen. Laser in neutralen Atomen werden vorwiegend im sicht
baren Spektralbereich mit vergleichsweise höheren Frequenzen betrieben.
Dort arbeiten auch die Ionenlaser, die aber ebenfalls wie UV-Moleküllaser
mit elektronischen Übergängen für die ultravioletten Spektral bereiche geeig
net sind. Gaslaser existieren in sehr verschiedenen Ausführungsformen, und
sind deshalb relativ ausführlich in 4 Kapiteln dargestellt. Weitere wichtige
Lasertypen, die Festkörper-, Farbstoff-, Halbleiter-, Elektronenstrahl- und
Röntgenlaser , werden jeweils in einem Kapitel beschrieben. Die Reihenfolge
entspricht etwa der historischen Entwicklung. Bei der Darstellung der ver
schiedenen Laser wird auch kurz auf typische Anwendungen eingegangen.
In den folgenden Kapiteln werden optische Laserkomponenten, wie Spie
gel, Polarisatoren und Modulatoren beschrieben, mit denen Laser in verschie
denen Betriebsarten aufgebaut werden können. Von besonderem Interesse
ist dabei der Pulsbetrieb, der Aufbau von frequenzstabilen, schmalbandigen
Lasern sowie von abstimmbaren Lasern. In diesem Zusammenhang wird auch
die externe Frequenzumsetzung durch nichtlineare optische Effekte kurz dar
gestellt. Außerdem werden Geräte zur Charakterisierung der Laserstrahlung,
wie Photodetektoren, Energiemeßgeräte, Spektralapparate und Anordnungen
zur Kohärenzmessung beschrieben.
Die Ausbreitung von Laserlicht erfolgt in Form von sogenannten Gauß
strahlen, die manche Kollegen lieber als Gaußbündel bezeichnen. Diese wer
den hier als Kugelwellen mit komplexem Quellpunkt dargestellt, wodurch
die Benutzung von Differential- oder Integralgleichungen in diesem Zusam
menhang vermieden wird. Auch in den übrigen Teilen des Buches reicht das
\TI \Tor~ort
Abitur~issen Mathematik zum Verständnis aus. Das Buch kann daher nicht
nur von Universitäts- und Fachhochschulstudenten, sondern auch von In
genieuren und Lehrern sowie Schülern verwendet werden. Für diese Leser
wird abschließend ein Überblick der verschiedenen Anwendungsgebiete und
der Zukunftsperspektiven der Laserentwicklung gegeben. Eine umfangreiche,
aber bei weitem nicht vollständige Liste weist auf weiterführende Bücher und
Zeitschriften hin. Dabei fällt auf, daß es bisher nur wenige moderne Mono
graphien über Laser in deutscher Sprache gibt. Dies war ein weiterer Grund,
dieses Buch auszuarbeiten.
Das vorliegende Buch ist aus Manuskripten von Vorlesungen entstanden,
welche die Autoren an der Technischen Universität und der Technischen Fach
hochschule Berlin gehalten haben. Dabei gehen wir in Vorlesungen an vielen
Stellen wesentlich tiefer auf theoretische Ableitungen ein, während sich dieses
Übersichtsbuch auf die Darstellung von Ergebnissen konzentriert. Die erst
mals beigefügten elementaren Aufgaben sollen helfen, das Verständnis durch
eigenes Nachdenken zu erhöhen.
Das Material für das Buch wurde aus Diplom- und Doktorarbeiten sowie
Zeitschriften und Büchern übernommen, die in der Literaturliste angegeben
sind. Wir danken besonders Herrn Prof. Dr. Kneubühl und Prof. Dr. K. J.
Sigrist von der ETH-Zürich für die Genehmigung, Bildvorlagen zu verwenden.
Weitere Bilder wurden uns von Kollegen und Firmen überlassen, die in
den jeweiligen Bildunterschriften zitiert sind. Weiterhin haben uns Herr Dr.
P. Peuser, Firma Daimler-Benz, Ottobrunn, Prof. W. Sandner, Dr. P. Nickles
vom Max-Born-Institut Berlin, Prof. H. J. Weber und Dip!. Phys. S. Diez vom
Heinrich-Hertz-Institut, Berlin, Herr Dipl.Ing. Ringelhahn, Dr. J. Roßbach,
DESY, Hamburg, unsere Mitarbeiter Frau C. Scharfenorth, Dip!. Phys. R.
Elschner, Dip!. Phys. J. Findeisen, Dip!. Phys. A. Wappelt sowie Dr. H. J.
Kölsch und Frau P. Treiber vom Springer-Verlag sehr geholfen.
Berlin, Januar 1998 H.-J. Eichler, J. Eichler
Inhaltsverzeichnis
1. Licht, Atome, Moleküle, Festkörper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Eigenschaften von Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Atome: Elektronenbahnen, Energieniveaus . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Atome mit mehreren Elektronen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Moleküle.............................................. 11
1.5 Energieniveaus in Festkörpern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
1.6 Energiebänder in Halbleitern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
Aufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
2. Absorption und Emission von Licht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
2.1 Absorption............................................ 23
2.2 Spontane Emission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
2.3 Lichtverstärkung durch induzierte Emission. . . . . . . . . . . . . . .. 27
2.4 Linienbreite............................................ 29
2.5 Inversionserzeugung und -abbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
2.6 Aufbau von Lasern .............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
2.7 Zeitliches Emissionsverhalten ............................ 38
Aufgaben ................. " . . . . .. . . . . .. . . .. .. . . .. . . . .. 44
3. Lasertypen ............................................... 47
3.1 Wellenlängen und Ausgangsleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
3.2 Abstimmbare Laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52
3.3 Frequenzstabile Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
3.4 Hochleistungslaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
3.5 Ultrakurze Lichtimpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
3.6 Laserparameter ........................................ 57
Aufgaben ............................................. , 59
4. Infrarot-Moleküllaser..................................... 61
4.1 Ferninfrarot-Laser...................................... 61
4.2 CO -Laser............................................. 64
2
4.3 CO-Laser.............................................. 78
4.4 HF-Laser.............................................. 80
Aufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85
VIII Inhaltsverzeichnis
5. Laserübergänge in neutralen Atomen................ ..... 87
5.1 He-Ne-Laser........................................... 87
5.2 Metalldampf-Laser (Cu, Au) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
5.3 Jodlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97
Aufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99
6. Ionenlaser ................................................ 101
6.1 Laser für kurze Wellenlängen ............................ 101
6.2 Edelgasionenlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 103
6.3 Metalldampfionenlaser (Cd, Se, Cu) ....................... 108
Aufgaben .............................................. 111
7. UV-Moleküllaser ......................................... 113
7.1 Stickstomaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
7.2 Excimerlaser ........................................... 116
Aufgaben .............................................. 122
8. Festkörperlaser ........................................... 123
8.1 Rubinlaser ............................................. 124
8.2 Neodym-YAG-Laser, GSSG, YLF, YALO .................. 128
8.3 Glaslaser .............................................. 136
8.4 Erbium- und Holmiumlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138
8.5 Abstimmbare Festkörperlaser ............................ 141
8.6 Farbzentrenlaser ........................................ 145
8.7 Diodengepumpte und Faserlaser .......................... 149
Aufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 152
9. Farbstotnaser ............................................. 155
9.1 Eigenschaften von Farbstoffen ............................ 155
9.2 Anregung durch Blitzlampen ............................. 157
9.3 Anregung durch Laser .................................. 158
Aufgaben .............................................. 163
10. Halbleiterlaser ............................................ 165
10.1 Lichtverstärkung in p-n-Dioden .......................... 166
10.2 GaAlAs- und InGaAsP-Laser ............................ 168
10.3 Frequenzabstimmung von Diodenlasern .................... 178
10.4 Oberflächenemittierende Diodenlaser, VCSEL .............. 183
10.5 Bleisalzlaser ........................................... 186
10.6 Grüne und blaue ZnSe- und GaN-Laser ................... 186
Aufgaben .............................................. 189
Inhaltsverzeichnis IX
11. FELs, kohärente Röntgen- und Atomstrahlen .. ........... 191
11.1 Elektronenstrahllaser (FEL) ............................. 192
11.2 Röntgenlaser ........................................... 196
11.3 Kohärente Atomstrahlen ................................ 200
Aufgaben .............................................. 201
12. Ausbreitung von Lichtwellen .............................. 203
12.1 Ebene und Kugelwellen, Beugung ......................... 203
12.2 Gauß-Strahlen ......................................... 205
12.3 Durchgang von Gauß-Strahlen durch Linsen ............... 211
12.4 Fernrohre und Ortsfrequenzfilter ......................... 213
12.5 Ausbreitung realer Laserstrahlen ......................... 216
12.6 Optische Fasern ........................................ 218
12.7 Optische Materialien .................................... 224
Aufgaben .............................................. 227
13. Optische Resonatoren .................................... 229
13.1 Planspiegelresonator .................................... 229
13.2 Hohlspiegelresonator .................................... 232
13.3 Resonatortypen ........................................ 236
13.4 Instabile Resonatoren ................................... 240
13.5 Laser mit Grundmode ................................... 241
Aufgaben .............................................. 243
14. Spiegel ................................................... 245
14.1 Reflexion und Brechung ................................. 246
14.2 Metallspiegel ........................................... 250
14.3 Dielektrische Vielschichtenspiegel ......................... 250
14.4 Strahlteiler ............................................ 256
14.5 Phasenkonjugatoren .................................... 257
Aufgaben .............................................. 262
15. Polarisation ............................................... 263
15.1 Arten der Polarisation .................................. 263
15.2 Doppelbrechung ........................................ 265
15.3 Polarisatoren .......................................... 267
Aufgaben .............................................. 270
16. Modulation und Ablenkung ............................... 271
16.1 Mechanische Modulatoren und Scanner .................... 271
16.2 Akustooptische Modulatoren ............................. 272
16.3 Elektrooptische Modulatoren ............................. 275
16.4 Optische Isolatoren ..................................... 278
16.5 Sättigbare Absorber .................................... 280
Aufgaben .............................................. 280