Lasertechnik

• 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.
  ⇒ der Laserbetrieb kommt nicht in Gang! Es ist keine Besetzungsinversion gegen das Grundniveau möglich

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

• 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!

• Die Laserbedingungen (Besetzungsinversion, Amplitudenbedingung) können wird viel leichter eingehalten werden, da 3 Zustände über dem Grundzustand existieren

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 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 kann erfolgen durch:
  - Elektronenstöße (es entstehen angeregte Ionen)
  - Stöße mit angeregten Atomen/Molekülen einer anderen 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 (Stromdurchgang durch einen pn-Übergang)

• weitere Pumpprozesse:
  - Gas erhitzen, anschließend adiabatische Entspannung

- nuklear gepumpte Laser (Röntgenlaser) Pumpen durch Kernreaktion

- Räumliche Trennung von angeregten/nicht angeregten Atomen/Molekülen
(Maser)

- Beschleunigte Elektronen im W

• 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. LM können auf einen einzigen Fleck fokussiert werden. LM sind die Frequenzen/Wellenlängen für die sich stehende Wellen im Resornator ausbilden können. Dies ist nur möglich wenn f=q* C/(2nL) erfüllt ist. Das bedeutet die Länge eines Resonators muss ein Vielfaches von Lambda/2 sein.

• Man verringert die Verstärkungsbandbreite und damit die Anzahl der Moden, die in dem jeweiligen Lasermedium verstärkt werden. Dies geschieht durch verringern der Resonatorlänge großer Modenabstand: Delta v = c/(2*n*L)

• 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.)

• esonatorlänge: Temperaturänderung

• Verstärkungsprofil: Art des Laseraktiven Mediums, Temperatur, Spiegelverschmutzung

W₀ ist der Radius

TEM₃₀

NA vergrößern: w₀ verringern, δ vergrößern

Der Durchmesser hängt nur vom durchmesser ab, falls D kleiner wird als das Objektiv da dann die N_A und somit auch delta verändert wird

delta ist zu vergrößern dann wird w kleiner z.B. linse weiter weg von Laser. w = λ/(delta*π) (ist eigentlich Vergrößerung der Numerischen Apertur)

Formel

oder arcsin(N_a)

oder über die Dreiecksbeziehungen je nach Aufgabe

Formel

Fromel

im Focus w₀ *2

• da entweder die Strahltaille zu groß ist um fein zu schneiden

• die Divergenz ist zu groß ⇒ damit geht Leistung zum Schneiden verloren

• Es ist nicht möglich kleine Strahtaille und gleichzeitig geringe Divergenz zu realisieren. Das bedeutet keine dünnen „parallelen“ Schnitte möglich.

• Unterschied zwischen realem Strahl und Gaußstrahl

• Kehrwert der Strahlkennzahl

• Galilei- oder Keplerfernrohr mit Pinhole zur Reinigung des Fokusses

• eim Galilei-Fernrohr erhält man eine stark verkürzte Bauweise

• beim Keplerfernrohr kann mit einem Pinhole der Gaußstrahl „gereinigt“ werden

• Licht bleibt auf relativ engem Bereich um die Resonatorachse konzentriert

• Gaußstrahl als Grundmode existiert

• Beugungsverluste sind gering

• Verluste evtl. durch begrenzte Spiegel

SIehe Bild

• 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.

• 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)

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

• 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.

a) grob

• Prisma

b) fein

• Gitter

c) sehr fein

• Etalon oder planparallele Platte

• Kühlung des Lasergases durch Diffusion

• Kühlung des Laserrohres durch Konvektion oder Kühlmittel

• Lasergas durchläuft einen Wärmetauscher

• 4-Niveau-Laser

• Anregung erfolgt durch Gasentladung

• Gas besteht aus Helium und Neon, 5:1 bis 8:1

• Wellenlängen von 633nm

• He wird mir Stößen 1. Art angeregt und Ne mit Stößen 2. Art durch He

• Geringe Leistung und damit geringe Wärme

• Entleerung des Laserzustandes erfolgt über Wandstöße

• Wand kann damit schneller gekühlt werden

• Anregung von N₂ durch Elektronenstöße

• Metastabile N₂^* gibt Energie an CO₂ durch Stöße 2. Art ab, jetzt kommt der Übergang oberes-, →unteres Laserniveau das sich wiederum durch Stöße mit CO₂ und danach mit He entleert, He wird benötigt um unteres Schwingungsniveau durch Stöße zu entleeren

• Druckverhältnisse und Zusammensetzung: siehe Bild

• 4-Niveau Laser

• Wirkungsgrad: 5 – 30%

• Infrarotbereich, Wellenlängen von 10,6µm

• Länge des Resonators

• Brechungsindex

• Verstärkungskurve ( wie breit das Profil durch Druck- oder Dopplerverbreiterung geworden ist)

• Verlustgrenze