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Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut

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Seminar zur Atom- und Molekülphysik. Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie. Inhalt. Laser und Resonatoren Aufbau eines Lasers Resonatoren wichtige Lasertypen

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Presentation Transcript
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Seminar zur Atom- und Molekülphysik

Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung

Stefan Gerlach

Max-Born-Institut

für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

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Inhalt

  • Laser und Resonatoren
    • Aufbau eines Lasers
    • Resonatoren
    • wichtige Lasertypen
    • Wellenlängenselektion
  • Charakterisierung und Messung von Laserstrahlung
    • Spektralbereiche
    • Wavemeter, Michelsoninterferometer
    • Linienbreitenmessung
    • Allan Varianz
  • Stabilisierung und Linienbreitenreduktion
    • Stabilisierung mittels Sättigungsspektrokopie
    • externe Stabilisierung (Littman, Littrow)
    • Pound-Drever-Hall-Stabilisierung
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aktive Medien :

  • Gas (HeNe, Ar+, CO2)
  • Flüssigkeit (Farbstoff in Methanol)
  • Festkörper (Halbleiter, TiSa, Nd-YAG, Nd-YLF)
  • Energiequellen :
  • Blitzlampen
  • Gasentladung (Plasma)
  • Pumplaser (Diodenlaser, Ar-Ionen-Laser)
  • Resonator :
  • plan, konfokal,
  • stabil, instabil
  • 2-Spiegel, Ringresonator

Laser : Grundlagen

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Intensität im Resonator (vgl. Lambert-Beer) :

() -Verstärkung im aktivenMedium

 -Verluste durch Absorption und Beugung

Thermische Besetzung :

Frequenz des Lasers :

Laser Theorie

  • Laseremission, wenn N2>N1 (Besetzungsinversion)

und -2()L -  > 1 (Verstärkung).

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Modenspektrum eines Lasers

(Longitudinale Moden)

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Resonator Grundlagen

Resonatoren (konfokal-plan, Modenstruktur, Formeln)

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Gauss-Modenstruktur :

Fresnel-Zahl :

Resonator Theorie

Mit

Beugungsverluste :

F>>1 : geometrische Optik, F~1/

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q-Parameter:

R(z) – Krümmung des Gaußstrahls

Durchgang durch ein optisches Element :

Transformation der Strahlvektoren :

ABCD Formalismus

  • Beschreibung der Strahlausbreitung eines Gaußschen

Laserstrahls beim Durchgang durch verschiedene optische Elemente

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dünne Linse :

ABCD Formalismus - Praxis

 die optischen Elemente werden durch unterschiedliche Strahlmatrizen beschrieben

z.B.

geradlinige Ausbreitung :

  • Produkt der Stahlmatrizen ergibt die exakte Abbildung
  •  Berechnung von Strahltaille und Krümmungsradius in beliebigen optischen Anordnungen
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Freier Spektralbereich :

(0,[email protected]µm)

=> Wenige Moden innerhalb des Verstärkungsprofils von 1-2nm

Wellenlängenänderung durch:

  • Injektionsstrom
  • Temperatur
  • (externe Rückkopplung)

Halbleiter-Laser

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Ringlasersystem

  • typisch für viele Farbstoff- und Festkörperlaser (z.B. TiSa)
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Reflektionsfinesse :

mit

Fabry-Perot-Interferometer (FPI), Etalon

Transmittierte und reflektierte Intensitäten :

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Lyot Filter, Birefringent Filter

Transmission :

Freier Spektralbereich:

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Fernes IR

1 mm – 50 µm

CH3F (496 µm)

Infrarot

50 µm – 5 µm

CO2 (10,6 µm)

Nahes IR

5 µm – 800 nm

Diodenlaser,

TiSa (800-1100 nm)

Optisch

400 nm – 800 nm

HeNe (630 nm), Farbstoff, Diodenlaser

UV

100 nm – 400 nm

Frequenzverdopplung

VUV, XUV

1 nm – 100 nm

Röntgenlaser, gepulst

Spektralbereiche

Typische Diodenlaser:

Übersicht und Beispiele für Laser :

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Frequenzverdopplung

  • Erweiterung des Wellenlängenbereiches für cw-Laser in den UV-Bereich mittels nichtlinearer Kristalle
  • Erhöhung der Konversionseffizienz durch eine Resonatorkonfiguration

z.B. 2.2 W @ 778 nm 200 mW @ 389 nm

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Messung von Wellenlängen

Entwicklung der Messgenauigkeit in den

Letzten Jahrzehnte enorm !

Heute: Linienbreiten von unter 1Hz (!)

realisierbar.

T. Day, E.K. Gustafson and R.L. Beyer (1992)

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Michelson-Interferometer (Wavemeter)

  • Überlagerung des zu messenden Lasers mit einem Referenzlaser (meist stabilisierter HeNe-Laser)
  • Bewegung des Schlittens zur Erzeugung eines
  • dynamischen Interferenzbildes
  • elektronische Auszählung der Interferenzringe
  • zur Bestimmung des Wellenlängenverhältnisses

Kommerzielles Wavemeter (Burleigh WA 1000)

Einfaches

Wavemeter

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Schawlow-Townes-Breite :

Linienbreite von Lasern

Theoretisch :

Praktisch :

Linienbreite etwa 50 mal so groß (wegen Relaxationsschwingungen)

 z.B. Diodenlaser :  ~ 100 MHz / P [mW]

Verbesserung :

  • Stabilisierung auf einen atomaren Übergang (Sättigungsspektrokopie)
  • externe Rückkopplung mit wellenlängenselektivem Element
  • Stabilisierung auf externen Resonator
  • Pound-Drever-Hall-Stabilisierung
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Linienbreitenmessung (Beatmessung)

  • Überlagerung zweier Laser mit fast gleicher Frequenz
  • Messung der Schwebungsfrequenz mittels einer schnellen Fotodiode

Frequenzanalysator –Signal:

  • Sehr genaue Vermessung der Linienbreite von Lasern.

[gemessen wird das Faltungssignal beider Laser]

 Messung der relativen Frequenzabweichung

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Messwerte {y1,y2,...,yN} :

Mittelwert :

Varianz :

Lösung : Vergleich benachbarter Messungen

Paarvarianz :

Allan, Barnes (1966) :

Allan Varianz - Theorie

Divergiert für N : herkömmliche Standardabweichung nicht geeignet für Aussage zur Stabilität.

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Allan Varianz - Praxis

 Messung der Stabilität eines Lasers in unterschiedlichen Zeitbereichen

  • Stabilitätsbereiche:
  • Kurzzeitbereich : weißes Rauschen (-1/2)
  • 1/f – Bereich : horizontaler Bereich (0)
  • Langzeitbereich : lineare Drift (1)

z.B. Frequenzstabilität atomarer Springbrunnen :  = 10-14-1/2

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Stabilisierung mit Sättigungsspektroskopie

  • Sättigungsspektroskopie:
  • Sättigung mit einem starken Pumpstrahl
  • Messung mit einem Probestrahl
  • Atome mit v=0 verursachen ein „Lamb-Dip“
  • => Dopplerfreie Spektroskopie

=> Stabilisierung mittels einer Lock-In-Technik

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Littrow Winkel :

Linienbreitenreduktion :

Stabilisierung durch Rückkopplung

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Pound-Drever-Hall Stabilisierung

  • Modulation des Lasers mit einer Radiofrequenz (etwa 10MHz)
  • Messung des von einem externen Resonator reflektierten Signals
  • Mischung der Radiofrequenz mit dem
  • Fotodiodensignal
  • => Fehlersignal zur Steuerung des Lasers
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Typisches stabilisiertes Lasersystem

besteht aus :

Ar+-Laser gepumpter TiSa-Laser,

stabilisiert mittels Pound-Drever-Hall-

Methode auf einen Hochfinesse-Resonator

Werte des Lasersystems :

Finesse des Resonators :

F= 236000 (!)

Linienbreite des Lasers :

< 100 Hz

Rohde (Blatt Group, Innsbruck)

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Zusammenfassung

  • Prinzip und Aufbau von typischen Lasern und Resonatoren (Diodenlaser, TiSa-Ringlaser, ABCD-Formalismus)
  • Charakterisierung von Lasern (Linienbreite, FSR, Durchstimmbarkeit)
  • Wellenlängenbeeinflussung mittels verschiedener optischer Elemente
  • (FPI, Lyot-Filter)
  • Messung von Wellenlängen und Linienbreiten (Wavemeter, Beatmessung, Frequenzverdopplung,Allan-Varianz)
  • Stabilisierungsmethoden (Sättigungsspektroskopie, externer Resonator,
  • Pound-Drever-Methode)
  • Typisches stabilisiertes Lasersystem mit Linienbreiten unter 100 Hz
ad