Laser: Grundlagen · Systeme · Anwendungen

394 Pages·1990·16.983 MB·German

by  Prof. Dr. Jürgen Eichler, Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Eichler (auth.)

Laser in Technik und Forschung
Herausgegeben von
G. Herziger und H. Weber
Jürgen EichIer
Hans-Joachim EichIer
Laser
Grundlagen· Systeme· Anwendungen
Mit 192 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1990
Prof. Dr. Jürgen Eichler Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Eichler
Fachbereich 2 Optisches Institut! Sekr. PlI
Technische Fachhochschule Berlin Technische Universität Berlin
Luxemburger Straße 10 Hardenbergstraße 36
1000 Berlin 65 1000 Berlin 12
Herausgeber der Reihe:
Prof. Dr.-Ing. Gerd Herziger
Fraunhofer Institut für Lasertechnik Aachen
5100 Aachen
Prof. Dr.-Ing. Horst Weber
Festkörper-Laser-Institut Berlin GmbH
1000 Berlin 12
ISBN 978-3-540-52187-7 ISBN 978-3-662-22080-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-22080-1
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bib'iothek
Eichler. Jürgen:
Laser: Grundlagen, Systeme, Anwendungen / Jürgen Eichier ; Hans-Joachim Eichier. -
Berlin ; Heidelberg ; NewYork ; London ; Paris; Tokyo ;.Hong Kong ; Barcelona: Springer, 1990
(Laser in Technik und Forschung)
NE: Eichier, lIans-Joachim:
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1990
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1990
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Geleitwort der Herausgeber zur Reihe
Die Bedeutung des Lasers sowohl in seinen Anwendungen als auch im wissen
schaftlichen Bereich erkennt man am besten daran, daß die Lasertechnik sich von
der Laserphysik getrennt hat und dabei ist, sich zu einer eigenständigen Diszi
plin zu entwickeln, so wie viele andere Bereiche der Ingenieurwissenschaften. Das
führt auch zu einer eigenen Sprache, zu anderen pragmatischeren Definitionen
und Begriffen. Anwender interessieren weniger die fundamentalen, physikalischen
Herleitungen, sie möchten handliche Formeln, Zahlenwerte und Anwendungsvor
schriften.
In diesem Sinne wendet sich die vorliegende Buchreihe an den Ingenieur und
Physiker, die den Laser in der Praxis einsetzen wollen, wobei der Schwerpunkt
z. Z. im Bereich der Materialbearbeitung liegt.
In einer Reihe von Monographien werden die verschiedenen Anwendungsbe
reiche behandelt. Der Reihe vorangestellt sind zwei einführende Bände, die die
Grundlagen der Laserphysik und die Laserelemente behandeln. Dem schließen
sich zwei Bände an, die die beiden z. Z. wichtigsten Lasersysteme, Festkörper
Laser mit Schwerpunkt Neodym-Laser und C02-Laser, als industrielle Systeme
beschreiben. Jeder Band ist in sich abgeschlossen und verständlich, d.h. die
wichtigsten Begriffe die benutzt werden, sind jeweils dargestellt.
Die Reihe wird fortgesetzt, um auch neue Entwicklungen zu erfassen. Die
Auflagen sind begrenzt, um möglichst schnell aktuelle Ergebnisse in Neuauflagen
berücksichtigen zu können.
Aachen und Berlin, im Dezember 1989 Prof. Dr. G. Herziger
Fraunhofer Institut für Laser-Technik;
Lehrstuhl für Laser-Technik
der RWTH Aachen
Prof. Dr. H. Weber
Festkörper-Laser Institut Berlin GmbH;
Optisches Institut der TU Berlin
Vorwort
Der erste Laser wurde im Jahre 1960 gebaut. In den folgenden drei
Jahrzehnten entstanden viele verschiedene Lasertypen, die zunehmend
Einsatz für verschiedene Anwendungen fanden. Besonders große
Bedeutung besitzen Laser heute für wissenschaftliche und technische
Messungen, Informationstechnologien, Materialbearbeitung und Medi
zin. Die geplante Buchreihe soll einen Überblick über die dafür
verwendeten Laser und ihre ve.·schiedenen Einsatzmöglichkeiten ge
ben. Der hiermit vorliegende erste Band der Reihe führt in das um
fangreiche Gesamtgebiet ein.
In den ersten Kapiteln werden optische und atomphysikalische
Grundlagen der Laser dargestellt und ein Überblick über die ver
schiedenen Typen gegeben. Danach werden diese in speziellen Kapi
teln beschrieben. Dabei wird zunächst auf die Gaslaser eingegangen,
die nach zunehmender Emissionsfrequenz gruppiert sind. Die Infra
rot-Moleküllaser haben die kleinsten Emissionsfrequenzen. Laser in
neutralen Atomen werden vorwiegend im sichtbaren Spektralbereich
mit vergleichsweise höheren Frequenzen betrieben. Dort arbeiten auch
die Ionenlaser, die aber ebenfalls wie Moleküllaser mit elektroni
schen Übergängen für die ultravioletten Spektralbereiche geeignet
sind. Gaslaser existieren in sehr verschiedenen Ausführungsformen,
und sind deshalb relativ ausführlich in 4 Kapiteln dargestellt. Wei
tere wichtige Lasertypen, die Festkörper-, Farbstoff-, Halbleiter-,
Elektronenstrahl- und Röntgenlaser werden jeweils in einem Kapitel
beschrieben. Die Reihenfolge entspricht etwa der historischen Ent
wicklung. Bei der Darstellung der verschiedenen Laser wird auch
kurz auf typische Anwendungen eingegangen.
VII
In den folgenden Kapiteln werden optische Laserkomponenten, wie
Spiegel, Polarisatoren und Modulatoren beschrieben, mit denen Laser
in verschiedenen Betriebsarten aufgebaut werden können. Von beson
derem Interesse ist dabei der Pulsbetrieb, der Aufbau von frequenz
stabilen, schmalbandigen Lasern sowie von abstimmbaren Lasern. In.
diesem Zusammenhang wird auch die externe Frequenzumsetzung
durch nichtlineare optische Effekte kurz dargestellt. Außerdem wer
den Geräte zur Charakterisierung der Laserstrahlung, wie Photode
tektoren, Energiemeßgeräte, Spektralapparate und Anordnungen zur
Kohärenzmessung beschrieben.
Die Ausbreitung von Laserlicht erfolgt in Form von sogenannten
Gaußstrahlen. Diese werden hier als Kugelwellen mit komplexem
Quellpunkt dargestellt, wodurch die Benutzung von Differential
oder Integralgleichungen in diesem Zusammenhang vermieden wird.
Auch in den übrigen Teilen des Buches reichen mathematische Ober
schulkenntnisse zum Verständnis aus. Das Buch kann daher nicht nur
von Universitäts- und Fachhochschulstudenten sondern auch von
Schülern und Lehrern sowie Ingenieuren und technisch interessierten
Laien verwendet werden. Für diese Leser wird abschließend ein Über
blick der verschiedenen Anwendungsgebiete und der Zukunftsper
spektiven der Laserentwicklung gegeben. Eine umfangreiche, aber si
cher nicht vollständige Liste weist auf weiterführende Bücher und
Zeitschriften hin. Dabei fällt auf, daß es bisher nur wenige moderne
Monographien über Laser in deutscher Sprache gibt. Dies war für
uns neben der Einführung der geplanten Buchreihe ein weiterer
Grund diesen Band auszuarbeiten.
Das vorliegende Buch ist aus Manuskripten von Vorlesungen ent
standen, welche die Autoren an der Technischen Universität und der
Technischen Fachhochschule Berlin gehalten haben. Das Material da
zu wurde aus zahlreichen Veröffentlichungen in Zeitschriften und
Büchern übernommen, die in der Literaturliste angegeben sind. Wir
danken besonders Herrn Prof. Dr. F. Kneubühl und Prof. Dr. K. J.
Sigrist für die Genehmigung, Bildvorlagen zu verwenden.
Das Buch wurde mit einem ATARI-Computer mit Hilfe des Textver
arbeitungssystems SIGNUM geschrieben.
VIII
Gedank t werden soll auch unseren Studenten, A. Haase, O. Hess und
A. Wappelt für die Herstellung des Manuskripts mit dem Text
verarbeitungssystem SIGNUM, Herrn H. Spiesecke M. A. für die
Herstellung der Bilder, Frau E. Seipold und Frau R. Khalil für die
Ausführungen von Korrekturen sowie unseren Kollegen und Mitar
beitern für verschiedene Hilfen und technische Hinweise. Der Sprin
ger-Verlag sowie die Herausgeber Prof. Dr. G. Herziger und Prof. Dr.
H. Weber haben die Anregung zu diesem Buch und zahlreichen Ver
besserungsvorschlägen gegeben. Wir wünschen ihnen ein gutes Ge
lingen der folgenden Buchreihe.
Berlin, Mai 1990
H.]. Eichler ]. 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 ......................................... 8
1.4 Moleküle ................................................................................. 1 2
1.5 Energieniveaus in Festkörpern .............................................. 1 7
2) Absorption und Emission von licht 21
2.1 Absorption ... ... ......... ... ... ... ... ......... ... ... ... ... ... ... ...... ... ... ... ... ... ... 21
2.2 Spontane Emission ........... ... ... ... ......... ...... ... ... ......... ... ... ... ... ... 24
2.3 Lichtverstärkung durch induzierte Emission ...................... :. 26
2.4 Linienbreite .............................................................................. 28
2.5 Inversionserzeugung und -abbau ............ ...... ... ...... ... ... ... ...... 33
2.6 Aufbau von Lasern ............................................................... 36
2.7 Ratengleichungen ..... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ......... ... ... ... ... ... ... 40
3) LasertyPen 49
3.1 Wellenlängen und Ausgangsleistungen ................................. 52
3.2 Abstimmbare Laser ................................................................ 55
3.3 Frequenzstabile Laser . ...... ... ... ... ......... ... ... ... ...... ... ... ... ... ... ... ... 57
3.4 Hochleistungslaser ................................................................ 58
3.5 Ultrakurze Lichtimpulse ......................................................... 60
3.6 Laserparameter .............. ............... .................. ......... ......... ...... 61
x
4) Infrarot-MolekUllaser 63
4.1 Ferninfrarot-Laser ................................................................... 63
4.2 CO -Laser .............................................................................. 67
2
4.3 CO-Laser ................................................................................ 82
4.4 HF-Laser ................................................................................. 84
5) LaserUbergänge in neutralen Atomen 91
5.1 He-Ne-Laser ........................................................................... 92
5.2 Metalldampf-Laser (Cu, Au) ................................................. 99
5.3 Jodlaser .................................................................................. t 04
6) Ionenlaser 107
6.1 Laser für kurze Wellenlängen ............................................... 1 08
6.2 Edelgasionenlaser .................................................................. 1 10
6.3 Metalldampfionenlaser (Cd, Se, Cu) .................................... 1 16
7) UV-MolekUllaser 121
7.1 Stickstofflaser 122
7.2 Excimerlaser 1 25
8) Festkörperlaser 133
8.1 Rubinlaser ............................................................................. . 134
8.2 Neodym-YAG-Laser, GSGG, YLF ........................................ .. 139
8.3 Glaslaser 1 48
8.4 Erbium- und Holmiumlaser 1 51
8.5 Vibronische Festkörperlaser ................................................ . 152
8.6 Farbzentrenlaser ................................................................... . 156