1 / 26

Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut für Nichtlineare Opti

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

gerard
Download Presentation

Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut für Nichtlineare Opti

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Seminar zur Atom- und Molekülphysik Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

  2. 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

  3. 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

  4. 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).

  5. Modenspektrum eines Lasers (Longitudinale Moden)

  6. Resonator Grundlagen Resonatoren (konfokal-plan, Modenstruktur, Formeln)

  7. Gauss-Modenstruktur : Fresnel-Zahl : Resonator Theorie Mit Beugungsverluste : F>>1 : geometrische Optik, F~1/

  8. 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

  9. 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

  10. Freier Spektralbereich : (0,3nm@1µm) => Wenige Moden innerhalb des Verstärkungsprofils von 1-2nm Wellenlängenänderung durch: • Injektionsstrom • Temperatur • (externe Rückkopplung) Halbleiter-Laser

  11. Ringlasersystem • typisch für viele Farbstoff- und Festkörperlaser (z.B. TiSa)

  12. Reflektionsfinesse : mit Fabry-Perot-Interferometer (FPI), Etalon Transmittierte und reflektierte Intensitäten :

  13. Lyot Filter, Birefringent Filter Transmission : Freier Spektralbereich:

  14. 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 :

  15. 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

  16. 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)

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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.

  21. 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

  22. 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

  23. Littrow Winkel : Linienbreitenreduktion : Stabilisierung durch Rückkopplung

  24. 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

  25. 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)

  26. 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

More Related