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LASER
Sophia Thies
Universität Bielefeld
22.05.2013
Proseminar Physik
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Inhalt
Historie
Das Laserprinzip
Bauarten verschiedener Laser
Eigenschaften
Anwendungen
Aktuelle Forschung
Zusammenfassung
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Historie
1917: Einstein - stimulierte EmissionHistorie
Laserprinzip
Bauarten1954: Townes, Schawlow - MASER
1959: Gould – Patentantrag LASER
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Vorarbeit zum Laser
[A1] wikimedia.org/.../449px-Gould_notebook_001.jpg[A1]
1[1] hs-pforzheim.de/.../GeschichteDesLasers_Verfahren.aspx
[2] web.mit.edu/invent/iow/gould.html
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Historie
Historie
Laserprinzip
Bauarten
1960: Maiman –
Rubin-LASER
1980: Industrie –
Erste gepulste Laser
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Der erste Laser
Bis heute: Enorme Einsatzvielfalt
[A2] en.wikipedia.org/.../File:Ted_Maiman_Holding_First_Laser.jpg
[A2]
2 [1] hs-pforzheim.de/.../GeschichteDesLasers_Verfahren.aspx
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Das Laserprinzip
Grundlage: Stimulierte Emission
Absorption SpontaneEmission
StimulierteEmission
Historie
Laserprinzip
Bauarten
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
3
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Pumpen
Aufbauen einer Besetzungsinversion
Nur Mehr-Niveausysteme funktionieren
Bauarten
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Historie
Laserprinzip
Das Laserprinzip
=
4 [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf
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Pumpen
Betrachte Zweiniveausystem:
Bauarten
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Historie
Laserprinzip
Das Laserprinzip
Seien die Hälfte der N Atome im oberen Niveau
Wahrscheinlichkeit für Absorption und stimulierte Emission sind gleich
zusätzlich besteht Wahrscheinlichkeit für spontane Emission, Besetzungsinversion ist nicht möglich
5 [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf
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Resonator
Verstärkung des
Lichts durch
Resonator
Modenselektion
Bauarten
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Historie
Laserprinzip
Das Laserprinzip
6
[A3]
[A3] en.wikipedia.org/wiki/File:Optical-cavity1.png
[3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf
![Page 9: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/9.jpg)
Bauarten
Festkörperlaser - Rubinlaser
Rubinstab Medium und Resonator
Pumpen durch Xenon-Blitzlampe
3-Niveausystem
694,3 nm - dunkelrot
Bauarten
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Historie
Laserprinzip
7[A4] en.wikipedia.org/wiki/File:5_Maiman_Laser_Components.jpg
[A4]
[4] Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press 1976
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Gaslaser – HeNe-Laser
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Pumpgas: Helium, Lasergas: Neon
3-Niveausystem
632,8 nm - rot
Spiegelresonator
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Bauarten
8 [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf
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Flüssiglaser - Farbstofflaser
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Moleküle - Fluoreszenzübergänge
Farbkonfiguration möglich
Blitzlampe oder Laser pumpt
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Bauarten
Farbstoff in Lösungsmittel
9
[5] D.a.A.o.F.S.f. Pumping O. Dye Lasers, J. F. Holzrichter, A. L. Schawlow. Annals of the New York Academy of Sciences, 2006
[6] S.E.d F. Pumped Dye Laser, T.K. Yee, B. Fan, T.K. Gustafson. Applied Optics – Vol. 18, No. 8
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Laserdiode – Halbleiter-Laser
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Bauarten
Elektrisches Pumpen im Halbleiter
Rekombination von und im pn-Übergang
10 [A5] semibyte.de/.../physics/diodenlaser_schematisch.png
[A5]
[7] myquilt.de/al/physalt/ladivor.htm
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Laserdiode – Halbleiter-Laser
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Bauarten
Energie des Laserlichts wird durch Bandlücke bestimmt
11 [A6] lab.frumania.com/wp-content/uploads/2010/06/bandgap_edit.jpg
[A6]
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Eigenschaften
Besonderheiten von Laserlicht
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Hohe Monochromasie
Festgelegte Polarisation
Große Kohärenzlängen
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Leistung
Laserpointer ≈ 1 – 3 mW
Holographic Versatile Disc – grüner Laser: 1 W
Gepulste Kurzzeitlaser – 1.3 PW
12[3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf
[8] Schewe, Phillip F.; Stein, Ben, 1998. "Physics News Update 401". American Institute of Physics
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Anwendung
Alltagsbeispiele
Laserpointer – Rot, Orange, Grün, Blau, Violett
CD-, DVD-, BlueRay-Player
Unterhaltungstechnik - Lasershows
Laserdrucker - Belichtung
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
13 [A7] laserperformance.de/images/lasershow_startseite.jpg
[A7]
![Page 16: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/16.jpg)
Industrie, Technik, Medizin
Forschung
Zusammenf.
Laserschneiden
Mikromechanik
Operationen am Auge
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Anwendung
14 [A8] indul.de/.../2010/07/laserschneiden-seitenbild.jpg
[A8]
![Page 17: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/17.jpg)
Korrektur von Fehlsichtigkeiten
Forschung
Zusammenf.
LASIK Methode amweitesten verbreitet
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Anwendung
Messer oder Laser schneidet „Flap“
Hornhaut wird mit Excimer Laser korrigiert
„Flap“ wird zurückgeklappt
15[A9] uni-due.de/~tah0f0/Excimer/Frames/LASIK.html
[A9]
[9] usaeyes.org/lasik/faq/all-laser-lasik.htm
![Page 18: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/18.jpg)
Forschung
Forschung
Zusammenf.
Astronomie – künstlicher Leitstern
Laserkühlung
Konfokale Laser-Mikroskopie
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Anwendung
16
[A10]
[A11]
[A10] ist.fraunhofer.de/.../image.img.jpg/1329389457768.jpg
[A11] www.scilogs.de/kosmo/gallery/8/1415-image2.jpg
![Page 19: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/19.jpg)
Laserkühlung - Dopplerkühlung
Forschung
Zusammenf.
Grundidee: Abbremsen der Atome führt zu Abkühlung
Bestrahlung der Atome mit Laserpaaren in jeder Raumrichtung
Temperatur drückt sich durch Atombewegung aus
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Anwendung
Abkühlung auf wenige 100µK möglich
17[A12] phys.strath.ac.uk/images/physics/cooling.gif
[A12]
[10] physik.uni-kl.de/.../Laserkühlung.pdf
![Page 20: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/20.jpg)
Aktuelle Forschung
Trägheitsfusion
Forschung
Zusammenf.
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Kernfusion als Energiequelle
18[A13] dpg-physik.de/.../info/grundlagen_fusion.html
[A13]
![Page 21: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/21.jpg)
Aktuelle Forschung
Trägheitsfusion
Forschung
Zusammenf.
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
NIF – stärkster Laser der Welt
UV Pulse von unter 20 nm, über 1 MJ Energie in Targetkammer – 192 Laser
Zündung noch nicht geglückt
19[A14] wikimedia.org/.../Inertial_confinement_fusion.svg
[A14]
[11] dpg-physik.de/dpg/gliederung/fv/p/info/inertial.html
![Page 22: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/22.jpg)
Aktuelle Forschung
Elecrtodeless Plasma Thruster „EPT“
Zusammenf.
Forschung
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Beschleunigung von neutralen Atomen durch ponderomotorische Kraft
Inhomogenes Oszillierendes E-Feld durch kurzen Laserpuls
Femtosekundenpuls: Beschleunigung auf
Nutzung als Triebwerk
20
[A15]
[A15], [12] Gregory D. Emsellem; Electrodeless plasma thruster design; The Elwing Company, Wilmington, 2005[13] pro-physik.de/details/.../news.html?laid=12335
![Page 23: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/23.jpg)
Aktuelle Forschung
Nichtlineare Optik - Ausblick
Zusammenf.
Forschung
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
Entdeckung nichtlinearer optischer Effekte mithilfe des Lasers
Frequenzverdopplung in nichtlinearen Medien
Zusammenhang zwischen E-Feld und Polarisation nicht-linear
21 [14] htw-aalen.de/.../publikationen/.../09_04_linieareoptik.pdf
[A16]
[A16] wikimedia.org/wikipedia/de/9/93/Frequenzverdopplung.png
![Page 24: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/24.jpg)
Zusammenfassung
Entwicklung von vielen Forschern, 1960 erstmalig realisiert
Basiert auf stimulierter Emission
Verschiedenste Bauarten mit verschiedensten Materialien
Viele alltägliche Anwendungen aber auch in aktueller Forschung ein wichtiges Thema
Bietet wichtige Eigenschaften und Möglichkeiten
Zusammenf.
Forschung
Anwendungen
Eigenschaften
Bauarten
Historie
Laserprinzip
22
![Page 25: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Danke für die Aufmerksamkeit!
![Page 26: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/26.jpg)
Quellen
[1] hs-pforzheim.de/.../GeschichteDesLasers_Verfahren.aspx
[2] web.mit.edu/invent/iow/gould.html
[3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf
[4] Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press 1976
[5] D.a.A.o.F.S.f. Pumping O. Dye Lasers, J. F. Holzrichter, A. L. Schawlow. Annals of the New York Academy of Sciences, 2006
[6] S.E.d F. Pumped Dye Laser, T.K. Yee, B. Fan, T.K. Gustafson. Applied Optics – Vol. 18, No. 8
[7] myquilt.de/al/physalt/ladivor.htm
[8] Schewe, Phillip F.; Stein, Ben, 1998. "Physics News Update 401". American Institute of Physics
[9] usaeyes.org/lasik/faq/all-laser-lasik.htm
[10] physik.uni-kl.de/.../Laserkühlung.pdf
[11] dpg-physik.de/dpg/gliederung/fv/p/info/inertial.html
[12] Gregory D. Emsellem; Electrodeless plasma thruster design; The Elwing Company, Wilmington, 2005
[13] pro-physik.de/details/.../news.html?laid=12335
[14] htw-aalen.de/.../publikationen/.../09_04_linieareoptik.pdf
![Page 27: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/27.jpg)
Bildquellen
[A1] wikimedia.org/.../449px-Gould_notebook_001.jpg
[A2] en.wikipedia.org/.../File:Ted_Maiman_Holding_First_Laser.jpg
[A3] en.wikipedia.org/wiki/File:Optical-cavity1.png
[A4] en.wikipedia.org/wiki/File:5_Maiman_Laser_Components.jpg
[A5] semibyte.de/.../physics/diodenlaser_schematisch.png
[A6] lab.frumania.com/wp-content/uploads/2010/06/bandgap_edit.jpg
[A7] laserperformance.de/images/lasershow_startseite.jpg
[A8] indul.de/.../2010/07/laserschneiden-seitenbild.jpg
[A9] uni-due.de/~tah0f0/Excimer/Frames/LASIK.htm
[A10] ist.fraunhofer.de/.../image.img.jpg/1329389457768.jpg
[A11] www.scilogs.de/kosmo/gallery/8/1415-image2.jpg
[A12] phys.strath.ac.uk/images/physics/cooling.gif
[A13] dpg-physik.de/.../info/grundlagen_fusion.html
[A14] wikimedia.org/.../Inertial_confinement_fusion.svg
[A15] Gregory D. Emsellem; Electrodeless plasma thruster design; The Elwing Company, Wilmington, 2005
[A16] wikimedia.org/wikipedia/de/9/93/Frequenzverdopplung.png
![Page 28: Sophia Thies Universität Bielefeld 22.05.2013 Proseminar Physik](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022051515/55204d7549795902118c9311/html5/thumbnails/28.jpg)
Eigenschaften
Gaußsche Optik
Eigenschaften
Anwendungen
Forschung
Zusammenf.
Mathematische Beschreibung:
Bauarten
Historie
Laserprinzip 𝐸 (𝑟 , 𝑧 )=𝐸0
𝜔0
𝜔 (𝑧)exp { −𝑟2𝜔2(𝑧)
−𝑖𝑘𝑧− 𝑖𝑘 𝑟 2
2𝑅 (𝑧 )+ 𝑖𝜁 (𝑧 )}