Seminar zur Atom- und Molekülphysik
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Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung Stefan Gerlach Max-Born-Institut - PowerPoint PPT Presentation


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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
Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Seminar zur Atom- und Molekülphysik

Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung

Stefan Gerlach

Max-Born-Institut

für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

  • 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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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).


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Modenspektrum eines Lasers

(Longitudinale Moden)


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Resonator Grundlagen

Resonatoren (konfokal-plan, Modenstruktur, Formeln)


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Gauss-Modenstruktur :

Fresnel-Zahl :

Resonator Theorie

Mit

Beugungsverluste :

F>>1 : geometrische Optik, F~1/


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Freier Spektralbereich :

(0,3nm@1µm)

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

Wellenlängenänderung durch:

  • Injektionsstrom

  • Temperatur

  • (externe Rückkopplung)

Halbleiter-Laser


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Ringlasersystem

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Reflektionsfinesse :

mit

Fabry-Perot-Interferometer (FPI), Etalon

Transmittierte und reflektierte Intensitäten :


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Lyot Filter, Birefringent Filter

Transmission :

Freier Spektralbereich:


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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 :


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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)


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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.


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

Littrow Winkel :

Linienbreitenreduktion :

Stabilisierung durch Rückkopplung


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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)


Erzeugung und charakterisierung monochromatischer laserstrahlung stefan gerlach max born institut

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