Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen

447 Pages·2002·10.25 MB·German

by  Prof. Dr. Jürgen Eichler

Jürgen EichIer . Hans Joachim EichIer
Laser
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH
J J
ürgen EichIer . Hans oachim EichIer
laser
Bauformen,
Strahlführung,
Anwendungen
Vierte, aktualisierte und neu bearbeitete Auflage
Mit 269 Abbildungen, 63 Tabellen,
158 Aufgaben und vollständigen Lösungswegen
Springer
Prof. Dr. Jiirgen Eichler
Technische Fachhochschule Berlin
Forum SeestraBe
SeestraBe 64
13347 Berlin, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Eichler
Technische Universitat Berlin
Optisches Institut
StraBe des 17. Juni 1935
10623 Berlin, Deutschland
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Eichler, Ji irgen:
Laser: Bauformen, Strahlfiihrung, Anwendungen; mit 63 Tabellen,
158 Aufgaben und vollstandigen LOsungswegen / Jiirgen Eichler;
Hans Joachim Eichler. - 4., aktualisierte Aufl.
(Laser in Technik und Forschung)
ISBN 978-3-662-08246-1 ISBN 978-3-662-08245-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08245-4
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1990, 1991, 1998, 2002
UrspriingIich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heideiberg New York 2002
Softcover reprint of the hardcover 4th edition 2002
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Vorwort zur vierten 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 dargestellt. 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 Spektralb ereiche 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 aus Kugelwellen mit komplexem Quellpunkt entwickelt, wodurch
die Benutzung von Differential- oder Integralgleichungen in diesem Zusam
menhang vermieden wird. Auch in den übrigen Teilen des Buches reicht das
VI Vorvvort
Abiturvvissen Mathematik zum Verständnis aus. Das Buch kann daher nicht
nur von Universitäts- und Fachhochschulstudenten, sondern auch von In
genieuren und Lehrern sovvie Schülern vervvendet vverden. Für diese Leser
vvird 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. 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. Außerdem haben uns Herr Dr.
P. Peuser, Firma Daimler-Benz, Ottobrunn, Prof. F. Krausz von der TU
Wien, Prof. W. Sandner, Dr. P. Nickles vom Max-Born-Institut Berlin, Prof.
H. J. Weber und Dr. Diez, Herr Dipl. Ing. Ringelhahn und unsere Mitarbeiter
Frau C. Scharfenorth, Dr. R. Elschner, Dr. J. Findeisen, Dr. A. Wappelt sehr
geholfen.
Berlin, Juni 2001 H.-J. Eichler, J. Eichler
Inhaltsverzeichnis
1 Licht, Atome, Moleküle, Festkörper ...................... 1
1.1 Eigenschaften von Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Atome: Elektronenbahnen, Energieniveaus ................ 7
1.3 Atome mit mehreren Elektronen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Moleküle.............................................. 12
1.5 Energieniveaus in Festkörpern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
1.6 Energiebänder in Halbleitern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
Aufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
2 Absorption und Emission von Licht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
2.1 Absorption............................................ 25
2.2 Spontane Emission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
2.3 Lichtverstärkung durch induzierte Emission. . . . . . . . . . . . . . .. 28
2.4 Linienbreite............................................ 31
2.5 Inversionserzeugung und -abbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
2.6 Aufbau von Lasern ..................................... 38
2.7 Zeitliches Emissionsverhalten ............................ 41
Aufgaben .............................................. 47
3 Lasertypen ............................................... 49
3.1 Wellenlängen und Ausgangsleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51
3.2 Abstimmbare Laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
3.3 Frequenzstabile Laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
3.4 Hochleistungslaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57
3.5 Ultrakurze Lichtimpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
3.6 Laserparameter ........................................ 59
Aufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
4 Infrarot-Moleküllaser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
4.1 Ferninfrarot-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
4.2 CO -Laser............................................. 66
2
4.3 Ca-Laser.............................................. 80
4.4 HF-Laser.............................................. 82
Aufgaben ............................................. ' 87
VIII Inhaltsverzeichnis
5 Laserübergänge in neutralen Atomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
5.1 He-Ne-Laser........................................... 89
5.2 Metalldampf-Laser (Cu, Au) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
5.3 Jodlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99
Aufgaben .............................................. 101
6 Ionenlaser ................................................ 103
6.1 Laser für kurze Wellenlängen ............................ 103
6.2 Edelgasionenlaser ....................................... 105
6.3 Metalldampfionenlaser (Cd, Se, Cu) ....................... 110
Aufgaben .............................................. 114
7 UV-Moleküllaser ......................................... 115
7.1 Stickstofflaser .......................................... 116
7.2 Excimerlaser ........................................... 118
Aufgaben .............................................. 125
8 Festkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.1 Rubinlaser ............................................. 128
8.2 Neodym-YAG-Laser und Alternativen ..................... 132
8.3 Glaslaser .............................................. 140
8.4 Erbium- und Holmiumlaser .............................. 142
8.5 Abstimmbare Festkörperlaser ............................ 145
8.6 Farbzentrenlaser ........................................ 151
8.7 Diodengepumpte und Faserlaser .......................... 154
Aufgaben .............................................. 157
9 FarbstoIDaser ............................................. 159
9.1 Eigenschaften von Farbstoffen ............................ 159
9.2 Anregung durch Blitzlampen ............................. 161
9.3 Anregung durch Laser .................................. 162
Aufgaben .............................................. 167
10 Halbleiterlaser ............................................ 169
10.1 Lichtverstärkung in p-n-Dioden .......................... 170
10.2 GaAIAs- und InGaAsP-Laser ............................ 172
10.3 Frequenzabstimmung von Diodenlasern .................... 183
10.4 Oberflächenemittierende Diodenlaser, VCSEL .............. 186
10.5 Halbleiterlaser für das tiefere Infrarot ..................... 189
10.6 ZnSe- und GaN-Laser ................................... 191
Aufgaben .............................................. 193
Inhaltsverzeichnis IX
11 FELs, kohärente Röntgen- und Atomstrahlen ..... , ....... 195
11.1 Elektronenstrahllaser (FEL) ............................. 196
11.2 Röntgenlaser ........................................... 200
11.3 Kohärente Atomstrahlen ................................ 205
Aufgaben .............................................. 207
12 Ausbreitung von Lichtwellen .. ............................ 209
12.1 Ebene und Kugelwellen, Beugung ......................... 209
12.2 Gauß-Strahlen ......................................... 212
12.3 Durchgang von Gauß-Strahlen durch Linsen ............... 217
12.4 Fernrohre und Ortsfrequenzfilter ......................... 220
12.5 Ausbreitung realer Laserstrahlen ......................... 223
12.6 Optische Fasern ........................................ 225
12.7 Optische Materialien .................................... 231
Aufgaben .............................................. 233
13 Optische Resonatoren .................................... 237
13.1 Planspiegelresonator .................................... 237
13.2 Hohlspiegelresonator .................................... 240
13.3 Resonatortypen ........................................ 244
13.4 Instabile Resonatoren ................................... 248
13.5 Laser mit Grundmode ................................... 249
Aufgaben .............................................. 251
14 Spiegel ................................................... 253
14.1 Reflexion und Brechung ................................. 254
14.2 Metallspiegel ........................................... 258
14.3 Dielektrische Vielschichtenspiegel ......................... 258
14.4 Strahlteiler ............................................ 264
14.5 Phasenkonjugatoren .................................... 265
Aufgaben .............................................. 270
15 Polarisation ............................................... 271
15.1 Arten der Polarisation .................................. 271
15.2 Doppelbrechung ........................................ 273
15.3 Polarisatoren .......................................... 275
Aufgaben .............................................. 278
16 Modulation und Ablenkung ............................... 279
16.1 Mechanische Modulatoren und Scanner .................... 279
16.2 Akustooptische Modulatoren ............................. 280
16.3 Elektrooptische Modulatoren ............................. 283
16.4 Optische Isolatoren ..................................... 286
16.5 Sättigbare Absorber .................................... 288
Aufgaben .............................................. 289
X Inhaltsverzeichnis
17 Puls betrieb ............................................... 291
17.1 Relaxationsschwingungen ................................ 292
17.2 Güteschaltung ......................................... 294
17.3 Puls-Auskopplung (cavity-dumping) ...................... 298
17.4 Modenkopplung ........................................ 299
17.5 Verstärkung und Kompression ........................... 305
Aufgaben .............................................. 307
18 Frequenzselektion und -abstimmung ...................... 309
18.1 Frequenzabstimmung ................................... 309
18.2 Longitudinale Modenselektion ............................ 310
18.3 Prisma ................................................ 313
18.4 Gitter ................................................. 314
18.5 Fabry-Perot-Etalon ..................................... 316
18.6 Doppelbrechende Filter ................................. 317
Aufgaben .............................................. 319
19 Frequenzumsetzung ....................................... 321
19.1 Doppler-Effekt ......................................... 321
19.2 Nichtlineare optische Effekte ............................. 322
19.3 Frequenzverdopplung und -vervielfachung .................. 323
19.4 Parametrische Oszillatoren .............................. 327
19.5 Stimulierte Ramanstreuung .............................. 329
19.6 Kontinuumserzeugung ................................... 331
19.7 Erzeugung hoher Harmonischer in Gasen .................. 332
Aufgaben .............................................. 335
20 Stabilität und Kohärenz .................................. 337
20.1 Leistungsstabilität ...................................... 337
20.2 Frequenzstabilität ...................................... 339
20.3 Schrotrauschen, Squeezed States .......................... 342
20.4 Kohärenz .............................................. 344
Aufgaben .............................................. 347
21 Photodetektoren und Energiemeßgeräte .................. 349
21.1 Meßtechnische Grundbegriffe ............................. 349
21.2 Thermische Detektoren .................................. 350
21.3 Vakuumphotodetektoren ................................ 352
21.4 Halbleiterdetektoren .................................... 356
Aufgaben .............................................. 360
22 Spektralapparate und Interferometer ..................... 361
22.1 Prismenspektrometer ................................... 361
22.2 Gitterspektrometer ..................................... 363
22.3 Zweistrahlinterferometer ................................. 364