Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen

475 Pages·2006·6.57 MB·German

by  Professor Dr. Jürgen Eichler

Physikalische Gr¨oßen
Fundamentalkonstanten
Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c 2,99792458·108m/s
elektrische Feldkonstante ε 8,854187817·10−12As/(Vm)
0
magnetische Feldkonstante μ 4π·10−7Vs/(Am)
0
Wellenwiderstand desVakuums μ /ε 377Ω
0 0
Plancksches Wirkungsquantum h 6,6260755·10−34Js
Elementarladung e 1,60217733·10−19As
Masse des Elektrons m 9,109534·10−31kg
e
Atommasse m(12C)/12 m 1,6605402·10−27kg
u
Avogadro-Konstante N 6,0221367·1023Teilchen/mol
A
Universelle Gaskonstante R 8,314510J/(molK)
Boltzmann-Konstante k=R/N 1,380658·10−23J/K
A
Energie-Einheiten
1eV entspricht 1,602·10−19J
Energie eines Photons
mit 0,5μm Wellenl¨ange 3,97·10−19J=2,48eV
Energie eines Photons
mit Wellenzahl von 1cm−1 1,24·10−4eV
Thermische Energie kT beiT =300K 29,7meV
JürgenEichler·HansJoachimEichler
Laser
Jürgen Eichler · Hans Joachim Eichler
Laser
Bauformen, Strahlführung, Anwendungen
Sechste,aktualisierteAuflage
Mit266Abbildungenund57Tabellen,
164AufgabenundvollständigenLösungswegen
123
ProfessorDr.JürgenEichler
TechnischeFachhochschuleBerlin
LaborfürLaseranwendung
undOptoelektronik
Seestraße64
13347Berlin,Deutschland
ProfessorDr.-Ing.HansJoachimEichler
TechnischeUniversitätBerlin
OptischesInstitut
Straßedes17.Juni135
10623Berlin,Deutschland
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DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.ddb.deabrufbar.
ISBN-10 3-540-30149-6 6.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN-13 978-3-540-30149-3 6.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN 3-540-00376-2 5.Aufl.Springer-VerlagBerlinHeidelbergNewYork
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GedrucktaufsäurefreiemPapier 7/3100/YL-543210
Vorwort zur sechsten Auflage
Der erste Laser wurde im Jahre 1960 gebaut. In den folgenden Jahrzehnten
entstanden viele verschiedene Lasertypen, die zunehmend Einsatz fu¨r ver-
schiedene Anwendungen fanden. Besonders große Bedeutung besitzen Laser
fu¨r wissenschaftliche und technische Messungen, Informationstechnologien,
Materialbearbeitung und Medizin. Dieses Buch soll einen U¨berblick u¨ber die
dafu¨rverwendetenLaserundihreverschiedenenEinsatzm¨oglichkeitengeben.
In den Kapiteln 1 und 2 werden Grundlagen der Laseroptik dargestellt.
Danach werden die speziellen Lasertypen und -materialien beschrieben. Da-
bei wird zun¨achst auf die Gaslaser eingegangen, bei denen das Licht von
Atomen, Ionen oder Moleku¨len emittiert wird. Laser in neutralen Atomen
werden vorwiegend im sichtbaren Spektralbereich betrieben. Dort arbeiten
auch die Ionenlaser, die aber ebenfalls wie UV-Moleku¨llaser mit elektro-
nischen U¨berg¨angen fu¨r die ultravioletten Spektralbereiche geeignet sind.
Infrarot-Moleku¨llaser haben kleine Emissionsfrequenzen, emittieren aber wie
z.B. der Kohlendioxidlaser sehr hohe Leistungen. Gaslaser existieren in sehr
verschiedenen Ausfu¨hrungsformen, und sind deshalb relativ ausfu¨hrlich in
4 Kapiteln dargestellt. Es schließen sich die Farbstofflaser an, bei denen
die Laseru¨berg¨ange ebenfalls in Moleku¨len stattfinden, die in Flu¨ssigkei-
ten gel¨ost sind. Weitere wichtige Lasertypen, die Festk¨orper-, Halbleiter-,
Elektronenstrahl- und R¨ontgenlaser, werden jeweils in den Kapiteln 8 bis 11
beschrieben. Die Reihenfolge entspricht etwa der historischen Entwicklung.
BeiderDarstellungderverschiedenenLaserwirdauchkurzauftypischeAn-
wendungen eingegangen. Von immer gr¨oßerer Bedeutung sind die in Kapitel
10 erw¨ahnten Halbleiter-Diodenlaser, bei denen sich in den letzten Jahren
viele Neuerungen ergeben haben.
In den folgenden Kapiteln 13 bis 16 werden optische Laserkomponenten,
wie Spiegel, Polarisatoren und Modulatoren beschrieben, mit denen Laser
in verschiedenen Betriebsarten aufgebaut werden k¨onnen. Von besonderem
InteresseistdabeiderPulsbetrieb,derAufbauvonfrequenzstabilen,schmal-
bandigen Lasern sowie von abstimmbaren Lasern. In diesem Zusammenhang
wird auch die externe Frequenzumsetzung durch nichtlineare optische Ef-
fekte kurz dargestellt. Außerdem werden Ger¨ate zur Charakterisierung der
Laserstrahlung, wie Photodetektoren, Energiemeßger¨ate, Spektralapparate
und Anordnungen zur Koh¨arenzmessung beschrieben.
VI Vorwort
Die Ausbreitung von Laserlicht erfolgt in Form von sogenannten Gauß-
strahlen, die manche Kollegen lieber als Gaußbu¨ndel bezeichnen. Diese wer-
den in Kapitel 12 aus Kugelwellen mit komplexem Quellpunkt entwickelt,
wodurch die Benutzung von Differential- oder Integralgleichungen in diesem
Zusammenhangvermiedenwird.Auchindenu¨brigenTeilendesBuchesreicht
gutes Abiturwissen in Mathematik zum Verst¨andnis aus. Das Buch kann da-
her nicht nur von Universit¨ats- und Fachhochschulstudenten, sondern auch
von Ingenieuren und Lehrern sowie Schu¨lern verwendet werden. Fu¨r diese
Leser wird abschließend ein U¨berblick der verschiedenen Anwendungsgebie-
te und der Zukunftsperspektiven der Laserentwicklung gegeben. Eine um-
fangreiche, aber bei weitem nicht vollst¨andige Liste weist auf weiterfu¨hrende
Bu¨cherundZeitschriftenhin.Dabeif¨alltauf,daßesbishernurwenigemoder-
neMonographienu¨berLaserindeutscherSprachegibt.Dieswareinweiterer
Grund, dieses Buch auszuarbeiten.
Das vorliegende Buch ist aus Manuskripten von Vorlesungen entstanden,
welchedieAutorenanderTechnischenUniversit¨atundderTechnischenFach-
hochschule Berlin gehalten haben. Dabei gehen wir in Vorlesungen an vielen
StellenwesentlichtieferauftheoretischeAbleitungenein,w¨ahrendsichdieses
U¨bersichtsbuch auf die Darstellung von Ergebnissen konzentriert. Die bei-
gefu¨gten elementaren Aufgaben sollen helfen, das Verst¨andnis durch eigenes
Nachdenken zu erh¨ohen.
Das Material fu¨r das Buch wurde aus Diplom- und Doktorarbeiten sowie
Zeitschriften und Bu¨chern u¨bernommen, die in der Literaturliste angegeben
sind.Prof.H.WeberundProf.G.Herzigerhabenzufru¨herenAuflagenwert-
volle Hinweise gegeben. Wir danken Prof. K.J. Sigrist von der ETH-Zu¨rich
fu¨r die Genehmigung, Bildvorlagen zu verwenden.
Weitere Bilder wurden uns von Kollegen und Firmen u¨berlassen, die in
den jeweiligen Bildunterschriften zitiert sind. Außerdem haben uns Dipl.
Phys. E. Bergmann, Firma Lambda-Physik, G¨ottingen, Herr Dr. P. Peuser,
Firma Daimler-Benz, Ottobrunn, Prof. F. Krausz von der TU Wien (jetzt
Mu¨nchen), Prof. W. Sandner, Dr. P. Schiel vom Max-Born-Institut Berlin,
Prof. H.J. Weber und Dipl. Phys. Kindl vom Heinrich-Hertz-Institut, Herr
Dipl.Ing. Ringelhahn, Dipl.Phys. Walter, Firma Jenoptik Laserdiode, Dr.
U. Becker, FHI Berlin und unsere Mitarbeiter Frau C. Scharfenorth, Dipl.
Phys. Meister, Strohmaier, Theiss und Dr. Riesbeck sehr geholfen.
Berlin, Fru¨hjahr 2006 H.J. Eichler, J. Eichler
Inhaltsverzeichnis
1 Licht, Atome, Moleku¨le, Festk¨orper ...................... 1
1.1 Eigenschaften von Licht ................................. 1
1.2 Atome: Elektronenbahnen, Energieniveaus ................ 7
1.3 Atome mit mehreren Elektronen.......................... 9
1.4 Moleku¨le .............................................. 11
1.5 Energieniveaus in Festk¨orpern............................ 16
1.6 Energieb¨ander in Halbleitern............................. 19
Aufgaben.............................................. 27
2 Absorption und Emission von Licht....................... 29
2.1 Absorption ............................................ 29
2.2 Spontane Emission ..................................... 32
2.3 Lichtverst¨arkung durch induzierte Emission................ 32
2.4 Linienbreite............................................ 35
2.5 Inversionserzeugung und -abbau.......................... 39
2.6 Aufbau von Lasern ..................................... 41
2.7 Zeitliches Emissionsverhalten ............................ 45
Aufgaben.............................................. 51
3 Lasertypen ............................................... 53
3.1 Wellenl¨angen und Ausgangsleistungen..................... 55
3.2 Abstimmbare Laser..................................... 57
3.3 Frequenzstabile Laser ................................... 60
3.4 Hochleistungslaser ...................................... 61
3.5 Ultrakurze Lichtimpulse................................. 62
3.6 Laserparameter ........................................ 63
Aufgaben.............................................. 65
4 Laseru¨berg¨ange in neutralen Atomen ..................... 67
4.1 He-Ne-Laser ........................................... 67
4.2 Metalldampf-Laser (Cu, Au) ............................. 73
4.3 Jodlaser, COIL......................................... 78
Aufgaben.............................................. 79
VIII Inhaltsverzeichnis
5 Ionenlaser ................................................ 81
5.1 Laser fu¨r kurze Wellenl¨angen ............................ 81
5.2 Edelgasionenlaser....................................... 83
5.3 Metalldampfionenlaser (Cd,Se,Cu) ....................... 88
Aufgaben.............................................. 92
6 Infrarot-Moleku¨llaser ..................................... 93
6.1 Ferninfrarot-Laser ...................................... 93
6.2 CO -Laser............................................. 96
2
6.3 CO-Laser.............................................. 110
6.4 HF-Laser.............................................. 112
Aufgaben.............................................. 117
7 UV-Moleku¨llaser ......................................... 119
7.1 Stickstofflaser.......................................... 120
7.2 Excimerlaser........................................... 122
Aufgaben.............................................. 130
8 Farbstofflaser............................................. 131
8.1 Eigenschaften von Farbstoffen............................ 131
8.2 Anregung durch Blitzlampen............................. 133
8.3 Anregung durch Laser .................................. 134
Aufgaben.............................................. 139
9 Festk¨orperlaser ........................................... 141
9.1 Rubinlaser............................................. 142
9.2 Neodym-YAG-Laser und Alternativen..................... 146
9.3 Glaslaser .............................................. 154
9.4 Erbium- und Holmiumlaser .............................. 156
9.5 Abstimmbare Festk¨orperlaser ............................ 159
9.6 Farbzentrenlaser........................................ 167
9.7 Diodengepumpte, Scheiben- und Faserlaser ................ 170
Aufgaben.............................................. 175
10 Halbleiterlaser............................................ 177
10.1 Lichtverst¨arkung in pn-Dioden ........................... 179
10.2 GaAlAs- und InGaAsP-Laser ............................ 181
10.3 Bauformen von Diodenlasern............................. 182
10.4 Emissionseigenschaften von GaAlAs- und InGaAsP-Lasern... 190
10.5 Frequenzabstimmung von Diodenlasern.................... 194
10.6 Ober߬achenemittierende Diodenlaser (VCSEL) ............. 200
10.7 Halbleiterlaser fu¨r das tiefere Infrarot ..................... 203
10.8 Blue“ GaN-Laser ...................................... 205
”
10.9 Halbleiterlaser fu¨r die Telekommunikation ................. 208
Aufgaben.............................................. 209
Inhaltsverzeichnis IX
11 FELs, koh¨arente R¨ontgen- und Atomstrahlen............. 211
11.1 Elektronenstrahllaser (FEL) ............................. 212
11.2 R¨ontgenlaser mit hochionisierten Atomen.................. 216
11.3 Koh¨arente Atomstrahlen ................................ 222
Aufgaben.............................................. 223
12 Ausbreitung von Lichtwellen.............................. 225
12.1 Ebene und Kugelwellen, Beugung......................... 225
12.2 Gauß-Strahlen ......................................... 228
12.3 Durchgang von Gauß-Strahlen durch Linsen ............... 233
12.4 Fernrohre und Ortsfrequenzfilter ......................... 236
12.5 Ausbreitung realer Laserstrahlen ......................... 239
12.6 Optische Fasern ........................................ 245
12.7 Optische Materialien.................................... 253
Aufgaben.............................................. 255
13 Optische Resonatoren .................................... 259
13.1 Planspiegelresonator .................................... 259
13.2 Hohlspiegelresonator .................................... 262
13.3 Resonatortypen ........................................ 266
13.4 Instabile Resonatoren ................................... 270
13.5 Laser mit Grundmode................................... 271
Aufgaben.............................................. 273
14 Spiegel ................................................... 275
14.1 Reflexion und Brechung ................................. 276
14.2 Metallspiegel........................................... 280
14.3 Dielektrische Vielschichtenspiegel ......................... 280
14.4 Strahlteiler ............................................ 286
14.5 Phasenkonjugatoren .................................... 287
Aufgaben.............................................. 292
15 Polarisation............................................... 293
15.1 Arten der Polarisation .................................. 293
15.2 Doppelbrechung........................................ 295
15.3 Polarisatoren .......................................... 297
Aufgaben.............................................. 300
16 Modulation und Ablenkung............................... 301
16.1 Mechanische Modulatoren und Scanner.................... 301
16.2 Akustooptische Modulatoren............................. 302
16.3 Elektrooptische Modulatoren............................. 305
16.4 Optische Isolatoren ..................................... 308
16.5 S¨attigbare Absorber .................................... 310
Aufgaben.............................................. 311