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Lasertypen und Anwendungen M. Amine Essafi.pptx .pdf



Nom original: Lasertypen_und_Anwendungen - M. Amine Essafi.pptx.pdf

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- Lasertechnik –

Lasertypen und Anwendungen (Teil 1)

Vortragende: M. Amine Essafi

Literatur:
Eichler/Eichler, Laser, Springer > Kap.: 3-5; 7; 9
Svelto, Principles of Lasers, Springer > Kap.: 10
Bäuerle, Laser: Grundlagen und Anwendungen in Photonik, Technik, Medizin und Kunst > Kap.: 6-8

1

.

Einführung:
LASER : Light AmplificaSon by SSmulated Emission of RadiaSon




Licht:

⇒  angerichtete Strahlung als Folge der
staSsSschen spontanen Emission der
angeregten Atomen,

Laser:

⇒  Bei einem Laser wird dazu durch die
induzierte Emission die Lichtausstrahlung
der Atome gekoppelt, so dass eine etwa
ebene Lichtwelle mit einer genau
definierten Frequenz entsteht.

2
Quelle des Bildes: hZp://www.nasa.gov/centers/langley/images/content/69851main_LaserTech-fig1.gif

§  ~ 1000 verschiedene Laserübergänge bekannt

§  erzeugte Strahlung im Wellenlängenbereich von unter 0,01 μm bis über 1000 μm
abdeckt damit die folgende Spektralgebiete:
Ø  weiche Röntgenstrahlung,

Ø  UltravioleZ

Ø  Sichtbares Licht

Ø  infrarotes Licht

Ø  die Millimeterwellen



3

Gegenüber der Strahlung konvenSoneller Lichtquellen zeichnet sich Laserlicht durch
folgende Eigenschaaen aus:


. Ø  geringe spektrale Linienbreite
.
Ø  starke Bündelung (geringer Divergenzen-Winkel)
Ø  hohe Strahlintensität oder Strahlenergie
Ø  Eignung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse.

4

Laser-Typenübersicht:


Laser können nach verschiedenen Merkmalen klassifiziert werden.
Oa nach Aggregatzustand des Lasermaterials.
. . Ø  Festkörperlaser einschließlich Diodenlaser
(die klassische, opSsch gepumpte Laser sowie die HalbleiterinjekSonslaser)

. Ø  Flüssigkeitslaser
(Farbstofflaser)

. . Ø  Gaslaser


Ø  Freie-Elektronen-Laser
die Elektronen selbst stellen das Lasermedium dar .


5



. Nach der Art der Anregung des Lasermaterials Kann man die folgende Lasertypen
unterscheiden:


. Ø  opIsch gepumpte Laser
(Anregung mit Blitzlampe, konSnuierlicher Lampe, Leuchtdiode)
. Ø  Elektronen-Strahl gepumpte Laser
(z. B. realisiert bei Sonderformen der Gaslaser und Halbleiterlaser)
. Ø  Gas-Entladungs-Laser
(z. B. in Glimm-, Bogen-, Hohlkathodenentladungen)
Ø  InjekIons-Laser oder Diodenlaser
(Anregung durch Stromdurchgang in einem Halbleiter)
Ø  chemische Laser (Anregung durch chemische ReakSon)
Ø  gasdynamische Laser
(Inversionserzeugung durch Expansion eines heißen Gases)
Ø  nuklear gepumpte Laser
(Anregung durch Strahlung aus einem Atomreaktor oder einer Nuklearexplosion)
6

Bsp.
. Ø  opIsch gepumpte Laser
(Anregung mit Blitzlampe, konSnuierlicher Lampe, Leuchtdiode)

7

Ø  Bsp. Elektronen-Strahl gepumpte Laser
(z. B. realisiert bei Sonderformen der Gaslaser und Halbleiterlaser)

8

Ø  Bsp. Gas-Entladungs-Laser
(z. B. in Glimm-, Bogen-, Hohlkathodenentladungen)

hZp://de.wikipedia.org/wiki/Helium-Neon-Laser

9

.

.

10

Die Laser können gepulst oder konInuierlich (cw: conSnuous wave) betrieben werden.

Ø  Im cw-Betrieb:
§  die Leistung der Strahlung P (in WaZ)
Ø  Bei gepulstem Laser:

§  die Pulsenergie W (in Joule)
§  die Pulsdauer τ
§  die zeitliche Abstand der Pulse T

Quelle des Bildes: Images of RF-CO2 laser output (Nagai, 2000). (a) CW. (b) Normal pulses. (c) Enhanced pulses. (d) Super pulses.


Daraus kann die Pulsspitzen-Leistung Pmax berechnet werden: Pmax = ​𝑾/τ 

Für die miZlere Leistung P erhält man


P = ​ 𝑾 /T   = 𝑾.
𝑓𝑝

wobei 𝑓𝑝 die Pulswiederholfrequenz ist.

11

Wellenlänge λ, erreichbare cw-Ausgangsleistungen P , Pulsenergien W und Pulsdauern τ
häufig benutzter und kommerzieller Laser, entsprechend dem akIven Medium eingeteilt:

Beispiele von: Gaslaser, Festkörperlaser und Farbstofflaser

12

Wellenlänge λ, erreichbare cw-Ausgangsleistungen P , Pulsenergien W und Pulsdauern τ
benutzter und kommerzieller ausgewähltern Laser, entsprechend dem akIven Medium
eingeteilt:

Beispiele von: Gaslaser, Festkörperlaser und Farbstofflaser

13

Wie werden diese Lasertypen aber betreibt bzw. gepumpt ?


Ø  Gaslaser
>> elektrisch in Gasentladungen


Ø  Festkörperlaser
z.B:
Nd:YAG-Laser > im konSnuierlichen Betrieb > > Krypton-Bogenlampen

> im gepulsten Betrieb >> Xenon-Blitzlampen


Ø  Farbstofflaser >> opSsch mit Gasentladungslampen oder anderen Lasern
z.B:
Farbstofflaser > mit Edelgasionenlasern oder Excimerlasern opSsch gepumpt.


Ø  HalbleiterinjekIonslaser (Halbleiterlaser):

>> direkte elektrische Anregung
14

3.1 AbsImmbare Laser [eng. Tunable laser]

Ø  Alle Laser lassen sich in ihrer Frequenz über einen gewissen Bereich Δf absSmmen.
Durch Differenzieren der Gleichung f = c/λ erhält man:


​∆𝒇/𝒇 =− ​∆λ /λ  


wobei Δλ der absSmmbare Wellenlängenbereich
und f bzw. λ die miZlere Frequenz bzw. Wellenlänge angeben.
Ø  Bei dem klassischen He-Ne-Laser beträgt die Frequenzbreite etwa ∆𝒇 = ​10↑9  Hz
bei einer MiZenfrequenz von etwa f = 5 · ​10↑14  Hz
Ø  Der relaSve AbsSmmbereich ergibt sich also zu ​∆𝒇/𝒇 = 2 · ​10↑−6  .
Ø  Von einem absSmmbaren Laser im engeren Sinne spricht man allerdings nur, wenn ​
∆𝒇/𝒇  wesentlich größer ist: ​∆𝒇/𝒇  = | ​∆λ /λ   | = ​10↑−12  bis ​10↑−1 

15

3.2 KonInuierlich absImmbare Laser

16

3.3 Frequenzstabile Laser
Ø  Laser fester Frequenz können mit nichtlinear-opSschen Methoden in der Frequenz
verändert werden.

Ø  Frequenzverdopplung und -vervielfachung ist z. B. mit geeigneten nichtlinearen Kristallen
möglich.
Bild: Nichtlineare Kristalle Kristalle zur
Frequenzvervielfachung, Frequenzmischung
und für opSsch parametrische Quellen.
Quelle: hZp://www.lasercomponents.com/de/produkt/nichtlineare-kristalle/

Ø  konSnuierliche FrequenzabsSmmung MiZels parametrischen Oszillatoren
z.B.: He-Ne- und Argon-ionenlaser > regulierbar Spiegelabstand >> konstante
Emissionsfrequenz
17

3.4 Hochleistungslaser

Bei Leistungsangaben sind konSnuierliche und gepulste Systeme zu unterscheiden,
wobei im Pulsbetrieb im allgemeinen bedeutend höhere Leistungen erreicht werden können.



Häufig eingesetzte Hochleistungslaser:
CO2 –Laser:

Festkörperlaser:
(besonders Nd:YAG-Laser)

Hochleistung: Materialbearbeitung
geringerer Leistung: Chirurgie
Kommerzielle, konSnuierliche Betrieb:
λ = 10,6 μm ~ 100 kW Leistung

lässt sich nicht durch Glasfasern
übertragen L

Kommerzielle, konSnuierliche Betrieb:
λ = 1,06 μm ~ 5 kW Leistung

lässt sich durch Glasfasern übertragen
J

18

Nd:Glas-Pulslasern
𝝉 = 1 ns = 10− 9 s.

10 TerawaZ = 1013 W

Festkörperlasern
Pulsbetrieb

einigen GigawaZ = 109 W

chemischen HF- oder DF-Lasern
konSnuierlich
Hochleistungs-Halbleiterlaser
λ = 800 nm
Leistung in
Wa^

einigen MegawaZ = 106 W

etwa 1 kW = 103 W

19

3.5 Ultrakurze LichImpulse
Ø  Mit Lasern (z.B. 800 nm Wellenlänge) können ultrakurze LichSmpulse er zeugt werden;
die kürzesten Pulse haben Zeitdauern im Bereich von 1 fs:
10− 15 s = 1 fs = 1 Femtosekunde.
Ø  Die Spektralanalyse eines kurzen Pulses ergibt ein Frequenzband Δf.
Ø  Dieses ist mit der Pulsbreite 𝝉 über folgende Ungleichung verknüpa:

𝝉 ≥ ​𝟏/𝟐 𝝅 Δf 

0,1 . . 1
Ø  Mit Nd-Glaslasern lassen sich Pulsdauern bis etwa 10− 12 s = 1 ps = 1 Pikosekunde
Ø  Kurze Laserpulse für die Untersuchung schnell ablaufender Prozesse in der Biologie,
Chemie und Technik.
Man spricht von einer zeitlichen Mikroskopie hoher Auflösung.
20

3.6 Laserparameter

Neben den Laserkenndaten:

gibt es weitere wichSge Parameter:

•  Wellenlänge, Frequenz,

Ø  Wirkungsgrad, technischer Aufwand,

•  Leistung, Energie und

Ø  Strahlprofil, transversale Modenstruktur, örtliche Kohärenz,

•  Pulsdauer


Ø  Strahldivergenz, Fokussierbarkeit
Ø  PolarisaSon.


Von Bedeutung sind auch Stabilitätseigenschaaen:
Ø  Amplitudenstabilität (kurzzeiSge FluktuaSonen, Langzeitdria von cw-Lasern),
Ø  Pulsamplituden-, Pulsdauer- und Pulsformschwankungen bei gepulsten Lasern,
Schwankungen der Pulsfolgefrequenz (JiZer),
Ø  Frequenzstabilität, Linienbreite, zeitliche Kohärenz
Ø  Richtungsstabilität, PolarisaSonsstabilität.
21

Hinweis:
(a)



(b) die miZlere Leistung P P = ​ 𝑾 /T   = 𝑾.
𝑓𝑝

22

Lösung:

23

24

25

4. Laserübergänge in neutralen Atomen
Ø  Atome emi|eren eine Vielzahl von Linien im sichtbaren Spektralbereich

Bsp.: Balmer-Serie des Wasserstoffs mit λ von 365 bis 656 nm

Quelle: hZp://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Visible_spectrum_of_hydrogen.jpg

Quelle: hZp://www.ursusmajor.ch/images/balmerlinien.jpg

Ø  H-Atome sind keine gute Lasermedien.


Grund: bei normalen Temperaturen bildet Wasserstoff stabile Moleküle H2 , die in einer
Gasentladung erst dissoziiert werden müssten, um H-Atome zu erzeugen

Ø  Zur Erzeugung sichtbaren Lichtes sind Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe) geeignet.

Grund: sie liegen in atomarer Form vor
26

Ø  Atomare Gase eignen sich vor allem zum Au}au von Lasern für den sichtbaren Spektralbereich.

380 nm 780 nm

27

28
Quelle: hZp://chemistry.tutorvista.com/inorganic-chemistry/spectral-lines.html

4.1 Helium-Neon-Laser
Ø  preisgünsIgster Laser im sichtbaren Spektralbereich
Ø  Die Leistung kommerzieller Typen : unterhalb 1 mW bis zu einigen 10 mW.
Ø  He-Ne-Laser können neben roten auch orange, gelbe und grüne Linien emi|eren.
(durch selekSve Spiegel)

Siemens LGK-7639 HeNe laser Rohr
Quelle: hZp://www.repairfaq.org/

29

Wellenlängen merken !

Aufgenommen mit WM Capture aus der Quelle: hZp://www.olympusfluoview.com/java/henelasers/

30

Helium-Neon-Laser in Betrieb. Die im geöffneten Gehäuse des Lasers zu sehenden Bauteile kann
man in einer Grafik unsten ansehen.

31
Quelle : hZp://www.seos-project.eu/modules/laser-rs/images/HeNe-graph-de.png

Die Spektrallinien der Elemente He und Ne:

Quelle: hZp://www.repairfaq.org/sam/spechene.gif

Ø  Die Laserübergänge finden im Neonatom staZ.

Ø  Die stärksten Linien sind durch die Übergänge mit den λ = 633, 1153 und 3391 nm gegeben

32

Niveauschema
Ø  ElektronenkonfiguraSon des Ne im Grundzustand (1s2 2s2 2p6), wobei
die 1. Schale (n = 1) und 2. Schale (n = 2) mit jeweils 2 und 8 Elektronen abgeschlossen ist.

Ø  Die höheren Zustände (Bild 4.1) entstehen dadurch, dass der Rumpf(1s2 2s2 2p5)vorhanden
ist und ein Leuchtelektron nach 3s, 4s, 5s, . . . , 3p, 4p, . . . usw. angeregt wird.

Vereinfachtes Termschema des HeNe-Lasers
Quelle: hZp://www.seos-project.eu/modules/laser-rs/laser-rs-c02-p07.de.html

33

34

Anregung
Ø  Das akSve Medium des He-Ne-Lasers ist ein Gasgemisch, dem in einer elektrischen
Entladung Energie zugeführt wird.

Ø  Die oberen Laserniveaus werden durch Stöße mit metastabilen He-Atomen selekSv besetzt.

Ø  Bei den Stößen wird nicht nur kineSsche Energie ausgetauscht, sondern die Energie der
angeregten Heliumatome wird auf die Neonatome übertragen.

Man nennt diesen Prozess einen Stoß 2. Art
35
*: angeregten Zustand

Ø  Bei der Anregung des 2s-Niveaus oder 3s-Niveau :

Energiedifferenz ΔE = 0, 05 eV

Umwandung in kineSsche Energie
und sich als Wärme verteilen
Ø  Diese resonante Energieübertragung von He auf Ne ist der hauptsächliche
Pumpvorgang bei der Erzeugung der Inversion.

36

Wellenlängen

37

38

Quelle: hZp://donklipstein.com/hp5517ta.jpg

Auhau

Ø  zur Anregung werden Elektronen in einer Gasentladung erzeugt.
Ø  Die Elektronen werden mit einer Spannung von etwa 2 kV bei Strömen von 5 bis 10 mA
betrieben
Ø  Die Entladungslänge ist typischerweise 10 cm der Durchmesser.
Ø  der Entladungskapillare beträgt etwa 1 mm und entspricht dem Durchmesser des
emi|erten Laserstrahls
Ø  Für opSmale Ausgangsleistung wird ein totaler Fülldruck p
von p · D = 500 Pa · mm verwendet, wobei D der Rohr durchmesser ist
Ø  Das Mischungsverhältnis He/Ne hängt von der gewünschten Laserlinie ab.
Für die bekannte rote Linie wird He : Ne = 5 : 1 und
für die infrarote Linie bei 1,15 μ m He: Ne = 10: 1 angegeben.
Ø  Bei Vergrößerung des Rohrdurchmessers nimmt der Wirkungsgrad ab
Ø  Die Betriebsdauer eines He-Ne-Lasers beträgt etwa 20 000 Betriebsstunden.
39

20 cm
Ø 1 mm

40

41

UV-Moleküllaser

42

Excimerlaser

Ø  Als Excimere bezeichnet man Moleküle, die keinen stabilen Grundzustand besitzen.
Ø  „excited dimer“, ein zweiatomiges Molekül (dimer), das nur im angeregten (excited)
Zustand kurzfrisSg ”stabil“ ist.
Ø  Wenn das Molekül seine Anregungsenergie durch Strahlung abgibt und somit in den
Grundzustand zurückkehrt, zerfällt es wieder in seine zwei Atome.
Ø  Der Grundzustand hat also im Vergleich zum angeregten Zustand eine extrem kurze
Lebensdauer
Ø  Bei Excimerlasern ist dieser instabile Grundzustand zugleich das untere Laserniveau, was
wegen der kurzen Lebensdauer für eine Überbesetzung günsSg ist.
Ø  In Lasern werden insbesondere Edelgas-Halogen-Verbindungen, wie ArF∗, KrF*,
XeCl∗, XeF∗, Edelgasdimere, wie Ar2*, Kr2* eingesetzt.





*: elektronisch angeregte Moleküle 43

Ø  Edelgase gehen im Grundzustand keine chemischen Vergindungen ein.

è Daher untersuchte man schon vor der Entwicklung der Excimerlaser die Mischung
von Edelgasen mit chemisch aggressiven Molekülen, den Halogenen, in elektrischen
Entladungen, in denen Ionen und angeregte Zustände erzeugt wurden.


hZp://www.gsdaestheSc.com/

Ø  Die Excimere werden in Gasentladungen hauptsächlich durch Stöße vonangeregten
Kr-Atomen (Kr*) mit F2 gebildet

Ø  Daneben triZ auch ein RekombinaSonsprozess von Ionen auf, die in der Gasentladung
gebildet werden. Zur Erhaltung des Impulses bei dem Prozess ist noch ein driZer
ReakSonspartner notwendig, der in der ReakSonsgleichung weggelassen wurde:
44

Ø  Die Excimerlaser können energiereiche Pulse mit
über 1 J im ultravioleZen Bereich bei DurchschniZsleistungen über 300 Wa^ liefern.
Ø  kommerziellen Excimerlasern: Edelgas-Halogen-Verbindungen: λ von 193 bis 351 nm
F2-Laser, emi|eren bei 157 nm.
Ø  UltravioleZ-Bereich für:
Ø  industriellen: Fotolithografie für Halbleiterelektronik.

hZp://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_08/stat_164.htm

Ø  medizinischen: Augenheilkunde (LASIK)

Dermatologie

hZp://doktorlaser.ru/zrenie/lazernaya-korrekciya-zreniya.html

Ø  wissenschaalichen Anwendungen…
45
photonics.com

46
hZp://www.youtube.com/watch?v=4heqBbZueho

KonstrukIon / Auhau
Ø  Bei kommerziellen Lasern: wegen hohen Gasdrucks erfolgt die Anregung miZels
Hochspannungsentladung quer zum Laserstrahl.
Ø  Das Gas wird zwischen zwei Pulsen ausgetauscht
Ø  homogene Entladung : durch konkaven Endflächen des Dielektrikums um den Laser-Kanal
herum (VorionisaSons-Kanal + UV-Emission)
Ø  Die abgepumpten Gase sind toxisch und können nicht direkt in die Atmosphäre geblasen
werden.

47
hZp://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/process-faqs/faq-what-is-an-excimer-laser/

hZp://www.iot-gmbh.de/

48

Hinweis:

1,2 m
1,2 m

49


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