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E-Book

Femtosekundenlaser

Einführung in die Technologie der ultrakurzen Lichtimpulse

AutorKlemens Jesse
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2005
Seitenanzahl266 Seiten
ISBN9783540275022
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis66,99 EUR

Das Buch beschreibt die Grundlagen der Femtosekundenlaser, d.h. Strahlungsquellen mit ganz neuen Möglichkeiten in Technik, Chemie, Produktion und Medizin. Neben den neuartigen Gebieten Femtochemie und Femtonik sollen spezielle Anwendungen an der Grenze von Forschung und Theorie zur Sprache kommen. Ein Ausblick auf das nächste Technik-Zeitalter, das des Lichts, wird mit einem kleinen technischen Lexikonteil und Literaturzitaten abgeschlossen.



Dr. phil. nat. Klemens Jesse wurde 1964 in Karlsruhe geboren und hat an der
Johann-Wolfgang-Goethe-Universität in Frankfurt/Main Physik studiert. Er
wurde dort im Fach Chemie 1991 auf dem Gebiet 'Femtosekunden
Laserspektroskopie an organischen Molekülen' promoviert. Als Postdoc war er
auf den Gebieten Photovoltaik, FTIR-Spektroskopie an Proteinen,
Klimafolgeforschung und Photonik tätig. Seit April 1999 arbeitet er für die
Firma Trust International GmbH.

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Leseprobe

5 Ultrakurzzeitlasertypen (S. 63-64)

Der erste Laser blitzte am 15. Mai 1960 in einem Labor der Hughes Aircraft Corporation auf. Die Konstruktion aus einem Rubinstab als Lasermedium und einer ihn umgebenden gewendelten Blitzröhre als Pumpquelle stammte von Theodore Maiman. Die Enden des Rubinstabs waren mit Spiegeln, einer davon halbdurchlässig, versehen. Die heutige Laserforschung kann auf eine Vielzahl von Lasertypen mit unterschiedlichsten Eigenschaften und Fähigkeiten für eine Vielzahl von Anwendungen zurückgreifen. Eine besondere Eigenschaft des Laserlichts ist die Tatsache, dass mit dem Laser ultrakurze Lichtpulse erzeugt werden können, und zwar mit Dauern im Femtosekunden-, ja sogar im Attosekundenbereich. Mit der Femtosekundenoptik lassen sich Abläufe atomarer oder biologischer Vorgänge stroboskopartig verfolgen. Enorme Pulsleistungen von einigen Terawatt stehen bereits zur Verfügung. Eine einfache Abschätzung demonstriert die Wirksamkeit dieser Pulse. Die Intensität eines 10 fs Pulses mit einer Pulsenergie von 1 mJ beträgt im Fokus (10 µm Durchmesser) etwa 1017 W/cm2. Im Vergleich hierzu kann eine Herdplatte schon mit 10 W/cm2 zum Glühen gebracht werden, und die Sonne liefert auf der Erdoberfläche nur 0.1 W/cm2. Erfolge in der Pulsverkürzung führten dazu, dass Pulsdauern auch unterhalb einer Femtosekunde erzielt werden können. Damit beginnt ein neues Zeitalter für den Physiker: die Attophysik. Dem Wiener Physiker und Wittgenstein-Preisträger Ferenc Krausz gelang es erstmalig, mit Hilfe ultrakurzer Laserblitze das Verhalten von Elektronen in der Atomhülle direkt zu beobachten und zu „fotografieren". Für ihre Untersuchungen benutzten die Forscher nur 900 Attosekunden kurze Pulse. In der Zeitschrift „Nature" berichteten sie über die ersten Anwendungen ihrer kurzen Pulse [62].

Ein erster Röntgenpuls von der Dauer unter einer Femtosekunde schlug aus den inneren Atomschalen eines Edelgases (Krypton) ein Elektron heraus, so dass kurzfristig ein Loch entstand, das durch ein nachrückendes Elektron aus der äußeren Schale gefüllt wurde. Um diesen Vorgang zeitlich zu verfolgen, schickten sie kurz nach dem ersten Röntgenpuls einen zweiten, etwas längeren Blitz sichtbaren Lichts. Die Röntgenlaser befinden sich heutzutage noch im Entwicklungsstadium, und ein kommerzieller Lasertyp, der kohärente Strahlung im XUV- und Röntgenbereich liefert, wird erst in Jahren folgen. Der Vorstoß in den neuen Zeit bereich ist revolutionär zu nennen. Eine Femtosekunde verhält sich nämlich im Vergleich zu einer Sekunde in etwa so wie fünf Minuten im Vergleich zum Alter des Universums. Eine Femtosekunde sind 1000 Attosekunden. Bisher waren der weiche Röntgen- und Vakuum-Ultraviolettbereich die unangefochtenen Domänen der Synchrotonstrahlung oder neuartiger Laserquellen wie dem Freie-Elektronen-Laser (FEL). Das nächste angepeilte Ziel der Laseringenieure wird die Erweiterung des Spektralbereichs und der Bau eines Röntgenlasers sein. Es muss über Konzepte für einen solchen Lasertyp, die Erzeugung sehr hoher Harmonischer, oder laserbasierte, kurzwellige Plasmaquellen für industrielle Anwendungen zur Halbleiterherstellung nachgedacht werden. Auch die Röntgenoptik (diffraktive Optiken, Multilayer-Optiken), die Strahlcharakterisierung und die Detektortechnologie kurzwelliger Strahlung müssen weiterentwickelt werden. Seit 1972 entwickelten Forscher Lasergeräte mit ultrakurzen Pulsen, die bald auch in den Femtosekundenbereich vorstießen. Diese kurzen Pulse können genutzt werden, um schnelle chemische Vorgänge wie eine Art Licht-Stroboskop in Einzelbilder zu zerlegen (Femtochemie). Der Titan- Saphir-Laser arbeitet im Infraroten bzw. sichtbarroten Spektralbereich und hat sich bisher in den Labors durchgesetzt, so dass auch einzelne Molekülschwingungen mit einer Dauer zwischen 10 und 100 fs sichtbar gemacht werden konnten. Neben den Festkörperlasern gibt es außerdem Gas-, Halbleiter-, chemische und Farbstofflaser, die monochromatisches Licht sehr hoher Energiedichte bzw. extrem kurze Lichtimpulse liefern. Für Femtosekundenlaser kommen wegen des Modenkoppelprozesses aber nur Materialien mit einer bestimmten Energiebandbreite und speziellen Lebensdauern der angeregten Energieniveaus in Frage. Im Folgenden werden wir auf die wichtigsten Femtosekundenlaserarten, die jetzt zur Verfügung stehen, eingehen. Die Meilensteine des Lasers sind in folgender Tabelle chronologisch aufgelistet.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Inhalt6
1 Einleitung9
2 Geschichte der Kurzzeittechnik11
3 Theoretische Grundlagen19
3.1 Methoden der Erzeugung21
3.1.1 Aktives Modenkoppeln25
3.1.2 Passives Modenkoppeln27
3.1.3 Phasen-Modulation29
3.1.4 Code-Pulse-Modelocking29
3.1.5 Synchrones Pumpen31
3.1.6 Hybride Modenkoppel-Techniken34
3.1.7 „Moving Mirror“-Modenkoppeln34
3.1.8 Feedback Controlled Modelocking35
3.1.9 Optische Kompressionstechniken36
3.2 Ausbreitungseigenschaften von ultrakurzen Impulsen40
3.3 Nichtlineare optische Effekte43
3.3.1 Frequenzverdopplung47
3.3.2 Frequenzverdreifachung49
3.3.3 Selbstfokussierung51
3.3.4 Selbstphasenmodulation52
3.3.5 Vierwellen-Mischen53
3.3.6 Raman-induzierter Kerreffekt55
3.3.7 Mehrfotonenprozesse56
3.4 Techniken zur Messung von Femtosekundenereignissen58
3.4.1 Anrege- und Nachweistechniken58
3.4.2 Anrege-Entleere-Nachweistechnik60
3.4.3 Fotonenecho61
3.4.4 Z-Scan-Methode62
3.4.5 Transiente Absorption64
3.4.6 Kontinuierlich arbeitende Lasersysteme65
3.4.7 Lichtauswertetechniken in zeitaufgelösten Messungen66
4 Klassifizierung von Femtosekundenlasern69
5 Ultrakurzzeitlasertypen71
5.1 Festkörperlaser74
5.1.1 Der Titan-Saphir-Laser74
5.1.2 Der Nd:YAG-Laser82
5.1.3 Der Rubinlaser84
5.1.4 Der Cr:LiSAF-Laser86
5.1.5 Der Cr:YAG-Laser86
5.1.6 Der Cr:Forsterit-Laser87
5.1.7 Der Pr:YLF-Laser88
5.1.8 Modengekoppelte Faserlaser88
5.2 Gaslaser91
Der Argonionenlaser92
5.3 Flüssigkeitslaser95
5.3.1 Der Farbstofflaser95
5.3.2 Distributed Feedback Dye Laser99
5.4 Der Freie-Elektronen-Laser100
6 Charakterisierung von Femtosekundenpulsen103
6.1 Pulsspektrum103
6.2 Messung der Pulsdauer104
6.2.1 Autokorrelation105
6.2.2 Kreuzkorrelation111
6.2.3 Stroboskopie112
6.2.4 Die Streakkamera113
7 Femtosekundenoptiken und -instrumente117
7.1 Femtosekundenoptiken117
7.1.1 Spiegel118
7.1.2 Interferenzfilter118
7.1.3 Das Lyot-Filter119
7.1.4 Das ./4-Plattchen120
7.1.5 Brewster-Polarisatoren120
7.1.6 Glan-Thompson-Prisma121
7.1.7 Pellin-Broca-Prisma122
7.1.8 Die Keramikapertur122
7.1.9 Die Dünnschichtpolarisatoren122
7.1.10 Die Pockelszelle122
7.1.11 Die Kerrzelle123
7.1.12 Der Faraday-Modulator124
7.1.13 Akustooptischer Modulator124
7.1.14 Nichtlineare Optik125
7.1.15 Adaptive Optik126
7.2 Femtosekundeninstrumente127
7.2.1 Verstärkersysteme128
7.2.2 Optisch parametrischer Oszillator/Verstärker135
7.2.3 Strecker und Kompressor137
7.2.4 Der Cavity-Dumper138
7.2.5 Monochromatoren139
7.2.6 Mikroskope140
7.2.7 Fabry-Perot-Interferometer142
7.2.8 Gires-Tournois-Interferometer143
7.2.9 Michelson-Interferometer144
7.2.10 Femtosekunden Sagnac Interferometrie145
8 Anwendungen von Femtosekundenlasern147
8.1 Femtowissenschaft147
8.2 Femtochemie149
8.3 Femtobiologie177
8.4 Attophysik187
8.5 Medizin192
8.6 Pharmazie199
8.7 Spektroskopie200
8.8 Materialforschung205
8.9 Verbrennungsforschung207
8.10 Telekommunikationstechnik208
8.11 Nanotechnologie215
8.12 Umwelttechnik und Meteorologie218
8.13 Kalter Abtrag von Korrosionen220
8.14 Messtechnik221
8.15 Optoelektronik222
8.17 Femtonik227
8.18 Clusterphysik228
8.19 Oberflächen- und Grenzflächenphysik230
8.20 Plasmaphysik232
9 Ausgewählte Beispiele235
10 Ausblick247
Literatur249
Glossar255
Sachverzeichnis271

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