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

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

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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 - PowerPoint PPT Presentation

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Erzeugung und Charakterisierung monochromatischer Laserstrahlung

Stefan Gerlach

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Seminar zur Atom- und Molekülphysik

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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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Laser : Grundlagen

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

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Laser Theorie

Thermische Besetzung : kTEe

g

g

N

N /

1

2

1

2 12 EEh Frequenz des Lasers :

() -Verstärkung im aktivenMedium

-Verluste durch Absorption und Beugung

LeII )(20)(

Intensität im Resonator (vgl. Lambert-Beer) :

Laseremission, wenn N2>N1 (Besetzungsinversion) und -2()L - > 1 (Verstärkung).

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(Longitudinale Moden)

Modenspektrum eines Lasers

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Resonatoren (konfokal-plan, Modenstruktur, Formeln)

Resonator Grundlagen

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2

0

21)(

d

zwzw

2

, 0

dw

Resonator Theorie

)(/)(0

222

),( zwyxeIyxI Gauss-Modenstruktur :

Mit

Fresnel-Zahl :

da

F2

F>>1 : geometrische Optik, F~1/

Beugungsverluste :

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ABCD Formalismus

Beschreibung der Strahlausbreitung eines Gaußschen Laserstrahls beim Durchgang durch verschiedene optische Elemente

Durchgang durch ein optisches Element :DCq

BAqq

1

12

Transformation der Strahlvektoren : 12 rDC

BAr

)

)('

)((

zr

zrr

q-Parameter:)()(

1

)(

12 zw

izRzq

R(z) – Krümmung des Gaußstrahls

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ABCD Formalismus - Praxis

• Produkt der Stahlmatrizen ergibt die exakte Abbildung

Berechnung von Strahltaille und Krümmungsradius in beliebigen optischen Anordnungen

die optischen Elemente werden durch unterschiedliche Strahlmatrizen beschrieben

10

/1 nLgeradlinige Ausbreitung :

1/1

01

fdünne Linse :

z.B.

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Halbleiter-Laser

•Injektionsstrom• Temperatur• (externe Rückkopplung)

Wellenlängenänderung durch:

GHznd

c80

2 (0,3nm@1µm)

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

Freier Spektralbereich :

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

Ringlasersystem

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Fabry-Perot-Interferometer (FPI), Etalon

R

RF

1*

Reflektionsfinesse :

)2/(sin1

)2/(sin2

2

0

F

FIIR

)2/(sin1

120 F

IIT

Transmittierte und reflektierte Intensitäten :

21

4

R

RF

mit

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Lyot Filter, Birefringent Filter

nLTT 2

0 cos)(

nL

c

Freier Spektralbereich:

Transmission :

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Spektralbereiche

Typische Diodenlaser:

Röntgenlaser, gepulst1 nm – 100 nmVUV, XUV

Frequenzverdopplung100 nm – 400 nmUV

HeNe (630 nm), Farbstoff, Diodenlaser

400 nm – 800 nmOptisch

Diodenlaser,

TiSa (800-1100 nm)

5 µm – 800 nmNahes IR

CO2 (10,6 µm)50 µm – 5 µmInfrarot

CH3F (496 µm)1 mm – 50 µmFernes IR

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

Messung von Wellenlängen

Entwicklung der Messgenauigkeit in denLetzten Jahrzehnte enorm !

Heute: Linienbreiten von unter 1Hz (!)realisierbar.

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Kommerzielles Wavemeter (Burleigh WA 1000)

EinfachesWavemeter

Michelson-Interferometer (Wavemeter)

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

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Linienbreite von Lasern

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

Schawlow-Townes-Breite :2)(

2resST P

h

Theoretisch :

Praktisch :

Linienbreite etwa 50 mal so groß (wegen Relaxationsschwingungen) z.B. Diodenlaser : ~ 100 MHz / P [mW]

Verbesserung :

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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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Allan Varianz - Theorie

dttyyi )(1

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

Mittelwert :

N

iiyN

y1

1Varianz :

N

iiy yy

1

22

Paarvarianz : 21

21, iiii yy

,...6,4,2i

Allan, Barnes (1966) :

21

2

2

1)( iiy yy

Lösung : Vergleich benachbarter Messungen

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

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Allan Varianz - Praxis

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

Messung der Stabilität eines Lasers in unterschiedlichen Zeitbereichen

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

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

Stabilisierung mit Sättigungsspektroskopie

=> Stabilisierung mittels einer Lock-In-Technik

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Stabilisierung durch Rückkopplung

dL 2

arcsinLittrow Winkel :

2

intint

int

1

LnLn extext

ext

Linienbreitenreduktion :

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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

Werte des Lasersystems :

Finesse des Resonators :

F= 236000 (!)

Linienbreite des Lasers :

< 100 Hz

Rohde (Blatt Group, Innsbruck)

besteht aus :Ar+-Laser gepumpter TiSa-Laser,stabilisiert mittels Pound-Drever-Hall-Methode auf einen Hochfinesse-Resonator

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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