Lasertechnik

• ein ebenes Hologramm enthält nur ein gespeichertes Bild, 2-D Informationen werden gespeichert
• in einem Volumenhologramm können, durch Variation des Kristallabstandes und des Einfallswinkels, mehrere Bilder gleichzeitig gespeichert werden, 3-D Informationen werden gespeichert

Reflexionshologramm: belichtet von 2 unterschiedlichen Seiten

Transmissionshologramm: belichtet von einer Seite

• Durch Anbringen eines Gitters hinter die 1. Hologrammplatte, wird neben dem Masterhologramm auch ein Bild der Spaltblende aufgenommen, dass durch Beugung entsteht.
• Bei der Rekonstruktion werden so unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich stark gebeugt

• geführter Laser bei großflächigen Werkstoffen
• geführte Werkstoffe bei kleinen Werkstoffen und rotationssymmetrischen Teilen
• geführte (fliegende) Optik: mit Arm, kleine Massen werden bewegt und man erreich eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und eine hohe Genauigkeit

+    Die Absorption des Laserstrahls erhöht sich
-     Es bilden sich Verbrennungs- und Detonationswellen aus

-     Die Wechselwirkungszone auf dem Werkstück vergrößert sich

• Thermischer Effekt
  Nd:YAG, CO₂, Ar-Laser, Infrarotlaser
• Photochemischer Effekt
  kurzwellige Laser mit Wellenlängen unter 600nm

UV-Laser (Excimer Laser)

• Thermoakustische Schäden (Pulslaser)
  gepulster Nd:YAG Laser, CO₂

Das Auge fokussiert die Strahlung noch im Gegensatz zur Haut

• Nd:YAG ist gefährlicher, weil er bis zur Netzhaut vordringt, der CO₂ Laser wird in den vorderen Schichten absorbiert

• divergierende Strahlen werden durch die Linse zu Parallelstrahlen, die das Auge dann auf eine kleine Fläche fokussiert

• 1550nm ungefährlichste, die Strahlung dringt nur in die vorderen Schichten vor
• 1300nm ein Einbruch in der Transmissionskurve (kritisch)
• 850nm ist am gefährlichsten, Lidschlussreflex funktioniert nicht mehr (Strahlung ist nicht mehr im sichtbaren Bereich)

• divergierende Strahlen werden zu Parallelstrahlen, die das Auge dann auf eine kleine Fläche fokussiert

a) Was bedeutet die Abkürzung MZB?

• Maximal zulässige Bestrahlung

b) Warum unterscheidet man zwischen MZB-Werten für das Auge und MZB-Werten für die Haut?

• das Auge kann Lichtstrahlen selbst fokussieren
• Strahlung auf Netzhaut meistens als irreversible Schäden anzunehmen

a) Was bedeutet die Abkürzung GZS?

• Grenzwerte der zugänglichen Strahlung

b) Wie groß ist der GZS-Wert der Klasse 2 für sichtbares Licht?

• 1mW im Bereich von 400-700nm

• 30.000s – 8h               ganzer Arbeitstag
• 100s                            längere Beobachtung
• 0,25s                           Lidschlussreflex

9.

a) Was verstehen Sie unter Laserbereich?

• Bereich, in dem die maximal zulässige Bestrahlung des Auges (auch zufällig) überschritten wird

b) Nennen Sie möglichst viele (3) Regelungen für diesen Bereich.

• Ein Unternehmer sollte verhindern, dass die MZB-Werte auch bei diffuser und reflektierter Strahlung nicht überschritten werden. Ist dies dennoch der Fall, müssen geeignete Schutzmittel zu Verfügung stehen.
• Unterweisungspflicht (mind. 1x jährlich)
• Schutzeinrichtungen und Schutzausrüstungen sind zu benutzen
• Bei Verdacht auf Augenschäden muss sofort der Augenarzt aufgesucht werden

• D steht für den Dauerstrichbetrieb
• 512 gibt hier die Wellenlänge von 512nm an, bei der diese Brille die angegebene Schutzwirkung zeigt
• L3 ist die Schutzklasse der Brille; Strahlung wir um den Faktor 10³ abgeschwächt

a) Wann benötigt eine Firma einen Laserschutzbeauftragten?

• sobald ein Unternehmer Lasereinrichtungen der Klassen 3B und 4 betreibt, müssen Sachkundige als Laserschutzbeauftragte schriftlich bestellt werden

b) Wer kann zum Laserschutzbeauftragten bestellt werden bzw. welche Qualifikation benötigt er?

• Er ist Sachkundiger, wenn er ausreichende Kenntnisse über die zum Einsatz kommenden Laser besitzt, eingehend über die Wirkung von Laserstrahlung informiert und über die Schutzmaßnahmen und Schutzvorschriften unterrichtet ist.
• Kurse die hierzu besucht werden, müssen den Anforderungen der Berufsgenossenschaften entsprechen

• Der Laserstrahl muss am Ende seines Zweckdienlichen Weges beendet werden.
• Darf nicht durch eine Fenster nach draußen (muss also an die Wand)
• Der Strahl darf nicht reflektiert werden
• Es darf keine Person in den strahl hineingelangen
• Laserstrahl nicht in Augenhöhe, tiefer oder am besten höher

• Überwachung und Prüfung des Betriebes von Lasereinrichtungen
• Unterstützung des Unternehmers hinsichtlich des sicheren Betriebs und der notwendigen Schutzmaßnahmen
• Zusammenarbeit mit den Fachkräften für Arbeitssicherheit bei der Erfüllung ihrer Aufgaben einschließlich Unterrichtung über wichtige Angelegenheiten des Laserstrahlenschutzes.
• Überwachung der Einhaltung der Sicherheits- und Schutzmaßnahmen
• Untersuchung von Unfällen und Einschaltung der Fachkräfte für Arbeitssicherheit

• Laserschutzbeauftragten schriftlich bestellen
• Laserschutzeinrichtungen und -ausrüstungen zur Verfügung stellen
• Laser schriftlich vor der 1. Benutzung anzeigen (Unfallversicherungsträger und Behörde für Unfallschutz)

a) Absorption B_ji

• Elektronen auf ihren verschiedenen Niveaus nehmen Energie in Form von Photonen auf und können so auf ein höher liegendes Energieniveau angeregt werden.

b) spontane Emission von Strahlung A_ij

• Elektron im Zustand E_i (i ≠ 1) fällt mit Wahrscheinlichkeit „A_ij“ ohne Stimulation in einen tiefer liegenden Zustand „j“ (i > j) und emmitiert unter Umständen ein Photon
• Die spontan emittierten Photonen zeigen keine bevorzugte Emissionsrichtung und insbesondere gibt es keine feste Phasenbeziehung der Photonen untereinander

a) stimulierter Emission

• Ist ein Atom im angeregten Zustand und trifft nun ein Photon mit genau gleicher Energiedifferenz zum Elektronenniveau auf dieses Atom, so kann ein zusätzliches Photon ausgesandt werden.
• Ein Photon, das auf ein Elektron trifft, kann mit gleicher Wahrscheinlichkeit ein Elektron anregen oder eine stimulierte Emission herbeiführen. Dabei strahlt das Elektron ein, zum anregenden Photon, kohärentes Photon in gleicher Richtung aus

b) Besetzungsinversion

• Entgegen der Boltzmannverteilung: das obere Niveau ist stärker besetzt als das untere
• Um eine Verstärkung von Licht zu erreichen, müssen mehr Elektronen im höheren Niveau liegen als im niedrigen, so dass aufgrund der Besetzung die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission höher ist als für die Absorption.

a) Wie ist die Besetzungswahrscheinlichkeit von atomaren Niveaus der Energie E_i im thermischen Gleichgewicht?

• (Betrachte große Zahl gleicher Atome/Moleküle) Im thermischen Gleichgewicht verhalten sich die Anzahlen der Atome im Zustand „i“ und „j“ wie:
  N_i = N_j *e^Ei-Ej/k*T         Boltzmann-Verteilung: k= 1,38*10^-23 J/K
• Im thermischen Gleichgewicht nimmt die Besetzungswahrscheinlichkeit mit der Energie immer ab.

b) Wie nennt man diese Verteilung?

• Boltzmann-Verteilung

• Da die Wahrscheinlichkeiten für die stimulierte Emission und die stimulierte Absorption gleich sind, gleichzeitig aber in einem System die höheren Energiezustände weniger besetzt sind, werden mehr absorbiert als emittiert.
  Þ der Laserbetrieb kommt nicht in Gang! Es ist keine Besetzungsinversion gegen das Grundniveau möglich
• Es gibt kein 2 Niveau Laser, weil im Grenzfall B_ij gleich B_ji ist; der Stoff ist transparent, das was vorne reingeht, geht auch hinten wieder raus

• Durch Kühlung wird erreicht, dass die Elektronen in dem jeweiligen Lasermedium nicht thermisch angeregt werden und somit nicht das untere Laserniveau besetzen. Þ Inversion würde schwieriger werden

• Bei 2 beteiligten Niveaus, kann maximal N₁=N₂ (Anzahl der Elektronen im Grundzustand gleich der Anzahl im Angeregten) erreicht werden. Damit ein Laserbetrieb aber zustande kommen kann, muss das obere Niveau stärker besetzt sein. Man benötigt eine Besetzungsinversion

• Die Besetzungsinversion wird nur bei sehr großer Pumprate erreicht
• Sehr hohe Wärmebelastung für das aktive Medium
• (Fast) nur als Pulslaser geeignet
• Besetzung des Grundzustandes muss <50% sein! -> mehr als 51% der Elektronen muss sich im 2. Laserniveau/Zustand befinden

• Besetzungsinversion kann gedrosselt werden, es muss im oberen Laserniveau nur ein Elektron mehr sein als im unteren Laserniveau
• Die Laserbedingungen (Besetzungsinversion, Amplitudenbedingung) können viel leichter eingehalten werden, da 3 Zustände über dem Grundzustand existieren

Spiking ist der Einschwingvorgang eines Lasers

Da auf Grund des Einschwingvorgangs der Laser die Besetzungsinversion erst einige Zeit nach Einschalten des Pumpprozesses erreicht wird, entstehen so genannte Spikes (Leistungsspitzen) mit wesentlich höherer Leistung am Ausgang des Lasers!

• Optisches Pumpen (nur bei Festkörperlasern) durch Laser oder leistungsstarke (breitbandige) Lichtquellen.
  - Oberes Pumpniveau sollte ein breites Band sein, damit möglichst viel Strahlung genutzt werden kann.
  - die Pumplichtquelle muss eine kürzere Wellenlänge als der gepumpte Laser besitzen!
• Stoßanregung (bei Gaslasern) kann erfolgen durch:
  - Elektronenstöße (Stöße 1.Art) (es entstehen angeregte Ionen)
  - Stöße mit angeregten Atomen/Molekülen einer anderen Art (Stöße 2.Art) (es wird die

Anregung „übertragen“)

• Chemisches Pumpen (Erzeugung der Anregung durch eine exotherme chemische Reaktion gasförmiger Stoffe)
  - Auslösung der Reaktion durch Flamme oder Blitz
• Injektion von Ladungsträgern (bei Halbleitserlasern) (Stromdurchgang durch einen pn-Übergang)
• weitere Pumpprozesse:
  - Gas erhitzen, anschließend adiabatische Entspannung
  - nuklear gepumpte Laser (Röntgenlaser) Pumpen durch Kernreaktion
  - Beschleunigte Elektronen im Wechselfeld „Freier Elektronen-Laser“ (DESY)

• Stöße 2. Art sind Stöße mit angeregten Atomen/Molekülen anderer Art.
  Diese kommen z.B. in He-Ne-Lasern vor, da hier 2 verschiedene Gasarten mit ähnlichen Energiezuständen vorliegen. Hier ist die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung der Anregung am wahrscheinlichsten.

• Eine Longitudinalmode ist eine stehende Welle innerhalb eines Resonators, die Eigenschwingung. LM können auf einen einzigen Fleck fokussiert werden. LM sind die Frequenzen/Wellenlängen für die sich stehende Wellen im Resonator ausbilden können. Dies ist nur möglich wenn ν_q=q* c/(2nL) erfüllt ist. Das bedeutet die Länge eines Resonators muss ein Vielfaches von l/2 sein.

Gleichung anschauen vom freien Spektralbereich delta V= c/ 2*n*L

• Man verringert die Verstärkungsbandbreite und damit die Anzahl der Moden, die in dem jeweiligen Lasermedium verstärkt werden. Dies geschieht durch verringern der
• Resonatorlänge LÞ großer Modenabstand

• n ändern: anderes Medium, oder gleiches Medium mit anderer Temperatur

• man kann eine Modenblende in den Aufbau einbringen Glaube das ist nur für Transversalmoden
• Modenselektion
• Durch Erhöhung der Verluste/Reduktion der Verstärkung in Lasermedium
• Durch schmaler machen der Energiebandbreite der Im Medium emittierten Photonen (senken der Temp.)

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3. Welche Faktoren beeinflussen das Verstärkungsprofil und die Resonatorlänge?

• Resonatorlänge: Temperaturänderung
• Verstärkungsprofil: Art des Laseraktiven Mediums, Temperatur, Spiegelverschmutzung

• Der Radius w₀ bei dem die Amplitude auf 1/e abgefallen ist
• Der Radius „w“ eines Laserstrahls endet dort, wo die Intensität auf das 1/e² - fache abgefallen ist (86% liegen innerhalb).
                         mit r = Abstand vom Strahlmittelpunkt
  Strahlen mit dieser Verteilung heißen Gaußsche-Strahlen.
• Da Strahlen aufgrund von Beugung auseinander laufen gilt für den Strahlradius:                mit w₀= Strahlradius an der engsten Stelle (z = 0)
•  (Rayleigh-Länge)  gibt an, wann der Strahlradius um den Faktor zunimmt
   

a) Geben Sie 2 Möglichkeiten für eine Strahlaufweitung mit Linsen an.

• Galilei- oder Keplerfernrohr

b) Nennen Sie für jede Methode einen Vorteil gegenüber der anderen.

• beim Galilei-Fernrohr findet keine Plasmabildung statt, deswegen keine Fokussierung
• beim Keplerfernrohr kann mit einem Pinhole der Gaußstrahl „gereinigt“ werden

Laserresonatoren

1.

a) Was versteht man unter einem „stabilen Resonator“?

• Strahl wird durch einen der beiden Spiegel ausgekoppelt
• Licht bleibt auf relativ engem Bereich um die Resonatorachse konzentriert
• Gaußstrahl als Grundmode existiert
• Beugungsverluste sind gering
• Verluste evtl. durch begrenzte Spiegel

b) Durch welche Bedingung ist ein stabiler Resonator gekennzeichnet?

• 0 kleiner gleich g_{1* g2 kleiner gleich 1}      wobei g₁ und g₂ die Spiegelparameter sind!           g:=1- (L/R)

a) Was versteht man unter einem instabilen Resonator?
Sie können diesen Begriff anhand einer Skizze erläutern.

• Bei einem Instabilen Resonator wird der Strahl an einem Spiegel vorbei ausgekoppelt. Im Gegensatz dazu wird dies bei einem Stabilen Resonator durch Teildurchlässige Spiegel gemacht.

b) Vorteile von instabilen Resonatoren?

• Bessere Ausnutzung des aktiven Mediums
• geringe Divergenz bei großem Resonator
• teildurchlässige Spiegel schwer herstellbar sind

• wenn das aktive Medium eine hohe Verstärkung besitzt
  (da das aktive Medium besser ausgenutzt wird)

c) Wann verwendet man instabile Resonatoren?

• Bei Hochleistungslasern, wenn man durch den Spiegel auskoppelt (stabiler Resonator) absorbiert dieser und verändert sich(erwärmt sich), der Spiegel kann schlecht gekühlt werden

4. Wie kann man in einem Laser die Anzahl der Transversalmoden (Quermoden) auf eins reduzieren?

• man fügt eine Modenblende (Irisblende) ein (TEM₀₀)
  (Strahlradius für TEM₀₀ ist sehr klein, deshalb sind die Verluste der anderen Moden sehr groß)
• durch Wahl des Blendendurchmessers können höhere Moden sukzessiv „abgeschaltet“ werden.