ETH ZurichUltrafast Laser Physics

Ursula Keller

Department of Physics, Institute for Quantum Electronics,ETH Zurich, Switzerland

50 Jahre Laser-TechnologieRingvorlesung der Volkshochschule des Kantons Zürich

29. Okt. 2010

Licht aus dem Rubin:

Geschichte des Lasers

Licht aus dem Rubin:

Geschichte des Lasers

• Viele verschiedene Farben

• Unterschiedliche Intensität

• In alle Richtungen

• Ungleichmässig

• Wenige/Einige Farben

• Identische Intensität

• Gleiche Richtung

• “Im Gleichtakt”

Glühbirne - LaserGlühbirne - Laser

Erster Laser: 1960 der RubinlaserErster Laser: 1960 der Rubinlaser

• Heute 50 Jahre später:kein Leben (wie wir es kennen) ohne den Laser!

• Was passiert wenn alle Laser plötzlich aufhören zu funktionieren?

Die ganze optischen Nachrichtenübertragung hört auf:- keine Datenfernübertragung (Faserkabel)- kein Mobiltelefon (d.h. kein Handy, Natel, i-Phone …) - kein Internet- keine Notrufe

Das ganze Finanzgeschäft hört auf:- Keine Kreditkartenzulassung- Kein Cash aus Bankomaten (ATM-Netz) - Kein Zugang zu Bankkontoinformationen

Die Verkehrsampel funktionieren nicht

… und in der Verzweiflung können wir nicht einmal mehr Musik hören!

Eine typische Eigenschaft der Laseranwendung ist, dass der Laser normaler-weise nicht sichtbar ist.

HeNe-LaserHeNe-Laser

Stimulierte Emission: Voraussage EinsteinStimulierte Emission: Voraussage EinsteinGrundlage für den Laser in Berlin: 1916stimulierte (induzierte) Emission

(nach Abschluss der allgemeinen Relativitätstheorie im Herbst 1915)

Albert Einstein1879-1955

1912

Energie

Laser Light amplification by stimulated

emission of radiationDer erste Laser: 1960stimulierte Emission (1916 Einstein) kohärente optische Verstärkung in einem Laserresonator

spontan emittiertes Lichtin alle Richtungen

Laserstrahlausgekoppelt

Spiegel 2Spiegel 1

stimulierte Emission von Lichtin der Laserstrahlachse

Energie Input(Licht, Strom, …)

Theodore H.Maiman

Laser Light amplification by stimulated

emission of radiation

spontan emittiertes Lichtin alle Richtungen

Laserstrahlausgekoppelt

Spiegel 2Spiegel 1

stimulierte Emission von Lichtin der Laserstrahlachse

Energie Input(Licht, Strom, …)

Laser Light amplification by stimulated

emission of radiation

Film von Trumpf

Faszination Laser

Dauer: 8 Min 19 Sek(Zeit die das Licht braucht von der Sonne zur Erde)

Laser Light amplification by stimulated

emission of radiationDer erste Laser: 1960

Theodore H.Maiman

Play movie: Interview with Ted Maiman

(4 Min 20 Sek - in English)

Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger

Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger

• Maser (Microwellen Quellen) wurden für das Militär entwickelt• Charles Townes demonstrierte den ersten Maser in 1954 (3 Jahre lang

probiert)

Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger

Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger

• Maser (Microwellen Quellen) wurden für das Militär entwickelt• Charles Townes demonstrierte den ersten Maser in 1954 (3 Jahre lang

probiert)

• In 1958: Charles Townes (und Arthur Schalow, sein Schwager) publiziert Artikel über Maser bei optischen Frequenzen.• Theoretische Überlegungen• Ihr Vorschlag für den Namen war “Optischer Maser”

Dabei erwähnten sie, dass Ruby als Material nicht geeignet ist

• Nobel Preis• In 1964 kriegten Townes, Prokhorov and Basov den Nobelpreis für

“fundamental work in the field of quantum electronics which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle.“

• In 1981 kriegten Schawlow und Bloembergen den Nobelpreis für "contribution to the development of laser spectroscopy."

Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger

Charles Townes: MASER Pionier und Nobelpreisträger

Oxford University Press 1999

ISBN 0-19-512268-2

Gordon GouldLaser Patent

Gordon GouldLaser Patent

• Gordon Gould war ein Student an der Columbia University (hatte Kontakt zu Townes).• Ging weg vor Abschluss an Columbia

• Gould kreierte den Namen “Laser”: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" in 1957

• Gould patentierte den Laser in 1959• Notizen aus 1957 beglaubigt durch Notar (Besitzer eines Süssigkeitsladens)

In den USA zählt die beglaubigte Notiz im Laborbuch als Ursprungsdatum, in Europa die Veröffentlichung)

• Kontakt zu “Marxisten”: Konnte bei den eigenen Projekten nicht mitmachen.

• Nach 30 Jahre wurde Patent anerkannt.• 80% seiner Patenteinkünfte musste er Anwälten abtreten• Wurde Multimilionär• “my Santa Fe story”

Gordon GouldLaser Patent

Gordon GouldLaser Patent

Simon & Schuster 2000

ISBN 0-684-83515-0

Ted Maiman: Konstrukteur des ersten Lasers im Mai 1960

Ted Maiman: Konstrukteur des ersten Lasers im Mai 1960

• Rennen zum ersten Laser• AT&T Bell Labs um New York (USA Ostküste): Grösste Anstrengungen um das

Rennen zu gewinnen (x*10Mio$, viele Physiker, darunter einige Nobelpreisträger)

• Ted Maiman (USA Westküste): Ingenieur bei Hughes Labor in Los Angeles mit einem sehr kleinen Budget (9 Monate, 70’000$).

• Prof. Amnon Yariv (Doktorvater von Christoph Harder, President www.swisslaser.net)• Abeitete zu dieser Zeit bei Bell Labs und er war im Juni in Los Angeles in den

Ferien (Bodysurfing). • Er liess sich von Maiman den Laser demonstrieren.• Meldete an Bell Labs zurück: Das Rennen ist entschieden.

• Ted Maiman versuchte die Resultate zu publizieren (wurde von den “reviewern” abgelehnt) und lange wurde er ignoriert. Heute ist seine bahnbrechende Leistung annerkannt

• Ted Maiman video, von Kathleen Maiman erhalten (4 minutes)

Ted Maiman: Konstrukteur des ersten Lasers im Mai 1960

Ted Maiman: Konstrukteur des ersten Lasers im Mai 1960

Laser Press 2000

ISBN 0-97-029270-8

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Weitere Laser …Weitere Laser …• Festkörperlaser

- Rubinlaser: Maiman, 1960 (694.3 nm)- Nd:YAG Laser: Geusic, AT&T Bell Laboratories, 1964 (1.06 µm)- Yb:YAG Laser: T. Y. Fan, Byer - Stanford, Huber - Hamburg- Ti:Saphir Laser: 1982 Peter Moulton, MIT Lincoln Lab

• Halbleiterlaser- 1962, General Electric, Robert N. Hall (first laser diode)- Aber auch IBM, MIT Lincoln Lab, Texas Instruments, RCA Labs …

• Gaslaser- HeNe Laser: AT&T Bell Labs Dec. 1960 (infrarot), 1962 (632 nm) - Argonionenlaser- CO2-Laser: AT&T Bell Labs, Kumar Patel 1964 (10.6 µm) - Excimer Laser: Lebedev Phys. Inst., Russland, 1970 Basov, Popov (193 nm - ArF, 248 nm - KrF) UV Lithography und Laseraugenoperation, LASIK

• Farbstofflaser (Flüssigkeit)- Rhodamine 6G (570 nm - 640 nm), viele andere- 1966, unabhängig entwickelt von Sorokin und Schäfer

Weitere wissenschaftliche Durchbrüche …Weitere wissenschaftliche Durchbrüche …

Tom Baer, Stanford University

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Nichtlineare Optik

Tom Baer, Stanford University

Nichtlineare Optik und Spektroskopie Nichtlineare Optik und Spektroskopie

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NicolaasBloembergen

Nobelpreis in Physik 1981

Frequenzverdopplung

Störungsrechnung:

Nobel lecture, 8. Dec. 1981 by Nicolaas Bloembergen, Harvard University

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Pi ij(1)E j ijk

(2)E jEk (3)ijklE jEkEl

Nichtlineare Optik - heuteNichtlineare Optik - heute

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Tom Baer, Stanford University

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Frequenzkämme

Tom Baer, Stanford University

Femto-UhrenFemto-Uhren

Vergrösserung: 100'000 x

Vergrösserung: 100'000 x

• Spektrum eines Femtosekunden-Lasers besteht aus Millionen feiner Linien

• Diese Linien haben überall immer den gleichen Abstand

• Femtosekundenlaser ist für Frequenzen wie ein Lineal für Längen !

“Frequenzlineal” extrem genau!T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, Nature 416, 233, 2002

Stabilisierung des Frequenzkammes mit f-to-2f Interferometer:H. R. Telle, G. Steinmeyer, A. E. Dunlop, J. Stenger, D. H. Sutter, U. Keller, Appl. Phys. B 69, 327, 1999

Wie kann ich mit fs-Laser Zeiten messen?Wie kann ich mit fs-Laser Zeiten messen?

Frequenzkamm

unbekannteFrequenz

Detektor

Detektor

• optische Frequenzen zu hoch für direkte Messung

• Detektor misst Differenzen von Frequenzen = Schwebungssignal

• Messung des Abstandes der Linien im Kamm

• Messung des Abstandes unbekannte Linie - Kammlinie

• Untersetzung optischer Frequenzen

• optisches „Getriebe“

• optische Frequenz wird zählbar

• damit Zeitmessung

Naturkonstanten wirklich konstant?Naturkonstanten wirklich konstant?

Earth

StarPlanet

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Entdeckung von Planeten

Stern

Erde

Prof. Michel Mayor, Uni Genf

LichtleiterLichtleiter

• Kleine Verluste• Keine Absorption oder Streuung: Quartz

• Lichtleitung• Durch Material mit höherem Brechungsindex (kleinerer

Geschwindigkeit)Licht ausserhalb des Stabes läuft schneller und biegt den

Strahl zurück in den Staboft etwas verwirrend: „Totale interne Reflektion“

genannt

Charles K. Kao

NobelpreisPhysik 2009

"for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication"

Laser heutige AnwendungenLaser heutige Anwendungen

Industrielle Laser: USA Umsatz 1986-2009Industrielle Laser: USA Umsatz 1986-2009

David Belforte, Pennwell Corporation

Industrielle Laser 2009Industrielle Laser 2009

North America

20%

Europe36%

East Asia20%

Japan19%

ROW5%

David Belforte, Pennwell Corporation

Industrielle Laser 2009Industrielle Laser 2009

0

5

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2005 2006 2007 2008 2009

Per

cen

t

North America

Europe

East Asia

Japan

ROW

David Belforte, Pennwell Corporation

Photonik in der SchweizPhotonik in der Schweiz

• Dominiert durch LaserstrahlwerkzeugeLasag: Ruby Laser, Bystronic, Trumpf: CO2 Laser

• Photonik in der Schweiz:2-ter in Umsatz/capita in Europa

Produktionsvolumen Photonik Standort Schweiz, 2008

Lasermaterial-bearbeitung

41%

Bildverarbeitung & Optische

Messtechnik24%

Optische Drucktechnik

2%

Optische Kommunikations-

technik3%

Optische Medizintechnik & Life

Science17%

Photovoltaik1%

Optische Komponenten &

Systeme12%

Total: 3,0 Mrd. CHF

OPTECH CONSULTING - September 2009

Christoph Harder, swisslaser.net

Diffractive micro-optical components - 20 years later

Diffractive micro-optical components - 20 years later

ST. GALLEN, RheintalLeica Geosys, Leica Microsys, Oerlikon Solar, Oerlikon Optics, Fisba Optik, SwissOptic,Cedes, Huber & Suhner, Vectronix,…

LAUSANNE Bosch, Beam Express,Omnisens,Lyncée TecSynova, …

GENEVA id Quantique, Hach Ultra, …

LUCERNE - ZUG Roche Instr. Center, Schindler, Leister, Trumpf, OVD Kinegram, Crypto, 3D AG, Sigrist Photometer, Xenlux, Xemtec…

TI - Diamond SA, …

NEUCHÂTEL Alpes Lasers,Schott Suisse,Süss Micro, Medtronic,Laser Automation, …

BERNBystronic,Lasag (Swatch Group),Haag-Streit, Ilford Imaging,Sysmelec,Hy-Tech, …

ZURICH Oclaro, IBM Research Lab, Avalon, Time-Bandwidth, Exalos, IMT Masken, Omnisec, Soudronic,…

www.swisslaser.netPhotonics CH 2008: 3 Milliarden CHF

Laser “a solution looking for a problem”Laser “a solution looking for a problem”

Schawlow using a laser to pop a Mickey Mouse balloon

Ruby Laser (Rubinlaser) - Ted Maiman, 1960Ruby Laser (Rubinlaser) - Ted Maiman, 1960