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Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen by Jürgen Eichler, Hans-Joachim Eichler

By Jürgen Eichler, Hans-Joachim Eichler

Dieses Buch ist eine grundlegende Einführung in die Physik und Technik der Laser, die 50 Jahre nach der ersten Realisierung die optischen Technologien weiter vorantreiben. Es informiert über

- Funktion, Bauformen und Emissionseigenschaften der Laser,

- Lasertypen, optische Komponenten und Strahlführung,

- Anwendungen in Materialbearbeitung, Medizin, Mess- und Kommunikationstechnik

In der 7. Auflage dieses etablierten Lehrbuchs werden neueste Entwicklungen berücksichtigt: Hochleistungsdioden- und Festkörperlaser für ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung, Faserlaser, die Erzeugung ultrakurzer sub-fs Lichtimpulse und Röntgenstrahlung aus Freie-Elektronen-Lasern, sowie Anwendungen in der medizinischen Diagnostik und Biophotonik.

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Beim Gaslaser treten haupts¨ achlich die Stoß- und Doppler-Verbreiterung auf, wobei bei kleinem Druck die Doppler-Verbreiterung u orper¨berwiegt. Bei Festk¨ lasern findet man die homogene Verbreiterung durch Gitterschwingungen oder die nichthomogene durch den statistischen Stark-Effekt. Bei Farbstoffen tritt eine besonders breite homogene Linie auf, da engliegende RotationsVibrations-Niveaus durch Wechselwirkung zwischen Molek¨ ulen verbreitert werden. 5 Inversionserzeugung und -abbau Verst¨arkung von Licht und damit eine Lasert¨ atigkeit kann nur erfolgen, wenn in den Besetzungszahlen eine Inversion vorhanden ist (N2 > N1 ).

12. 10) dN1 N2 N1 = σ · c (N2 − N1 ) Φ + − . 38) F¨ ur das obere Laserniveau gilt unter der Annahme, dass das Pumpniveau sehr schnell zerf¨allt (N3 ≈ 0): N2 dN2 dN1 − − + Wp No dt a τ2 dt i | | | | + Absorption − spontane E. − induz. E. + Pumprate N2 = −σc (N2 − N1 ) Φ − + Wp No . 39) 48 2 Absorption und Emission von Licht Dabei ist Wp die normierte Pumprate in 1/s. Das Produkt Wp No gibt an, wie viele Teilchen pro Zeit- und Volumeneinheit in das obere Laserniveau −1 angeregt werden. Die Gr¨ oße τ2 = (1/τ21 + 1/τ20 ) ist die Lebensdauer des oberen Niveaus E2 .

59) Dieses Ergebnis zeigt, dass die Relaxationsschwingungen in der Photonendichte bei genauerer Rechnung nicht sinusf¨ormig moduliert sind, sondern dass bei gen¨ ugend großen Schwankungen nmax der Besetzungszahl die Photonendichte Φ in Form von Spitzen oder Spikes oszilliert. Die H¨ohe eines Spikes ist gegeben durch cσ nmax Φmax = ΦS exp ω p nmax = ΦS exp mit p = ωτr N2s und die Breite durch tS = 2 2 ln 2 =2 ωcσnmax 2 ln 2τr . pω 52 2 Absorption und Emission von Licht Als Beispiel ergibt sich mit p = 1 % und den oben angegebenen Zahlenwerten τr ≈ 7 · 10−10 s und ω = 4 · 106 Hz eine maximale Photonendichte Φmax = 40ΦS und eine Spikebreite von tS = 3 · 10−7 s.

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