Was Euch in der nächste Stunde erwartet ...
•Der Laser•Was ist ein Laser?•Geschichte des Lasers•Eigenschaften von Laserlicht•Aufbau von Lasern•Verschiedene Lasertypen•Anwendungen von Lasern
•Optische Spektroskopie mit Lasern•Ein Beispiel: Halbleiter•Photolumineszenz von Halbleiterstrukturen
Was ist ein Laser?
LASER bedeutet ...
Light
Amplification by
Stimulated
Emission of
Radiationalso ...
Verstärkung von Licht ...
... durch ‚stimulierte Emission‘
... aber was genau bedeutet das?
Was ist ein Laser?
Schematischer Aufbau eines Lasers:
HochreflektierenderSpiegel
HochreflektierenderSpiegel
VerstärkendesMedium(Stimulierte Emission)
Resonator
‚Optisches Pumpen‘ ‚Optisches Pumpen‘
Geschichte des Lasers...
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
1917Albert Einstein
Stimulierte Emission
1954Townes, Basov und Prokhorov
Maser
1960Theodor Maiman
Rubin-Laser
1958Schawlow und Townes
Laser
1963Alferov und Krömer
Halbleiter-Laser
1980Chu, Cohen-Tannoudji, Phillips
Laser-Kühlung von Atomen
Eigenschaften von Laserlicht
Laserstrahlung ist anders als Licht aus der Glühlampe ...
Laserlicht ist...
...gerichtet
...kohärent,d.h. die einzelnen Wellenzügesind sehr viel längerals bei einer Glühlampe
...monochromatisch,d.h. nur eine Wellenlänge
Eigenschaften von Laserlicht
Gerichtete EmissionLaserlicht weitet sich nur sehr wenig auf.
Beispiel:
Zur Bestimmung der Entfernung Erde – Mond (384.400 km)
wird ein Laserstrahl zum Mond geschickt.
Auf dem Mond ist der Strahlnur wenige Meter aufgeweitet.
Das entspricht einem Winkelvon einigen 10 Mikrograd.
Die Strahlung ist so stark gerichtet,weil die Spiegel in einem Laser so perfekt parallel ausgerichtet sind.
Dadurch wird nur das Licht verstärkt, das entlang der optischen Achse läuft.
Versuch
Eigenschaften von Laserlicht
Gerichtete EmissionDie gerichtete Emission führt zu hohen Strahldichten:
Beispiel:•Glühlampe
P=100W, Entfernung r=2m
Leistungsdichte=P/A=P/4πr2=0,2mW/cm2
•Laser
P=10W, Strahldurchmesser d=2mm
Leistungsdichte=P/A=P/πd2=80W/cm2
•Bügeleisen
P=2000W, Fläche ca. 20cm x 10cm,
Leistungsdichte=P/A=10W/cm2
Versuch
Eigenschaften von Laserlicht
Monochromatische Lichtquelle
Licht ist eine elektromagnetische Welle,d.h. das elektrische Feld des Lichts breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Der Welle ist eine Amplitude E0 (max. elektrisches Feld) und eine Wellenlänge λ(räumlicher Abstand zweier Maxima) zugeordnet.
E
E0
λ
Ausbreitungsrichtung
x
Licht als elektromagnetische Welle
Eigenschaften von Laserlicht
Monochromatische Lichtquelle
Nur ein kleiner Ausschnitt des Spektrums ist sichtbares Licht.
Die Wellenlänge bestimmt die Farbe des Lichts.
Eigenschaften von Laserlicht
Monochromatische Lichtquelle
Das weiße Licht der Glühlampe ist ein kontinuierliches Spektrumvom Infraroten über das Sichtbare bis ins Ultraviolette!
Nur ein kleiner Ausschnitt dieser Strahlung ist sichtbar.
Eigenschaften von Laserlicht
Monochromatische Lichtquelle
Die Wellenlänge des Laserlichts wird bestimmt durch die spezifischen Eigenschaftendes ‚aktiven Mediums‘, als z. B. der Gasatome.
Diese verstärken das Licht nur auf bestimmten Wellenlängen.
Dadurch entstehen extrem scharfe Spektren auf nur einer einzigen Wellenlänge.
Daher der Begriff ‚monochromatisch‘ (griech. nur eine Farbe).
500 520 540 560 580 6000
10
20
30
40
50
60
70
80
Inte
nsitä
t I
Wellenlänge λ [nm]
Eigenschaften von Laserlicht
Kohärente Strahlungsquelle
Was bedeutet Kohärenz?
E1
E0
Energieniveaus
Laserlicht is kohärent, weil es durch stimulierte Emission erzeugt wird.
Dadurch stehen alle erzeugten Lichtwellen in einer definierten Beziehung zueinander.
In einer Glühlampe wissen die Atome, die das Licht aussenden nichts voneinander.
Daher stehen die Lichtwellen nicht in einem geordneten Zusammenhang.
Eigenschaften von Laserlicht
Kohärente Strahlungsquelle
Die Kohärenz ermöglicht es,direkt die Wellennatur desLaserlichts zu beobachten.
Beispiel:
Beugung am Doppelspalt
φ
φ
∆
P
Eigenschaften von Laserlicht
Kohärente Strahlungsquelle
φ
φ
∆
P Gangunterschied ∆:
φ
φ
sin
sin
⋅=∆⇒
∆=
dd
∆=λ
Immer, wenn ∆ ein ganzzahliges Vielfaches von der Wellenlänge λ ist,findet konstruktive Interferenz statt.
φλ sin⋅=⋅ dk
∆=λ/2
Eigenschaften von Laserlicht
Kohärente Strahlungsquelle
Immer, wenn ∆=λ/2, 3λ/2, 5λ/2... ist, findet destruktive Interferenz statt.
Die Wellenzüge löschen sich gegenseitig aus.
Versuch
Eigenschaften von Laserlicht
Kohärente Strahlungsquelle
φ
φ
∆
PP
Optisches Gitter φλ sin⋅=⋅ dk
Da die Striche beim optischen Gitter kleinere Abstände haben,rücken die Maxima auseinander.
Verschiedene Wellenlängen werden auf verschiedene Winkel gebeugt→ Spektroskopie!
Versuch
Eigenschaften von Laserlicht
Kohärente Strahlungsquelle
Beugung und Interferenz an 2-dimensionalen Gittern
Komplexere Muster als Spalte oder Gitter ergeben komplizierte Beugungsmuster
Versuch
Verschiedene Lasertypen
Es gibt viele verschiedene Typen von Lasern:
•Gas-Laser
•CO2 Laser•Excimer Laser
•Festkörper-Laser
•Titan-Saphir-Laser
•Halbleiter-Laser•GaAs-Laser•GaN-Laser
•Argon-Ionen Laser•Helium-Neon Laser
•Nd-YAG Laser
Viele Laser nutzen atomphysikalische Prinzipien zur Funktion!
Verschiedene Lasertypen
Wasserstoff-Atom
e-
p
•Das Wasserstoffatom kann sich nur instationären Energiezuständen befinden
.
•In diesen Zuständen wird keine Strahlung ausgesendet.
e-
e-
01
01
EEhc
hcE
EEE
−=⇒
=
−=
λ
λE1
E0
•Geht das Atom von einem Zustand höherer Energie in einenZustand niedriger Energie über, wird Licht ausgesendet.
Verschiedene Lasertypen
Wasserstoff-Atom
Dementsprechend hat Wasserstoff ein Spektrum aus einzelnen, scharfen Linien.
1
2
345
In der Wasserstofflampe entsteht dasLicht durch spontane Emission.
Im Laser wird durch stimulierte Emission eine bestimmte Wellenlänge verstärkt.Die Emission der anderen Linien wird NICHT verstärkt.
Verschiedene Lasertypen
In einem Laser verwendet man andere Atome (z. B. Neon, Argon) mitkomplizierteren Energieschemata.
Dabei nutzt man in der Regel 3 oder mehr Niveaus aus:
e- e- e- e- e- e- e- e- e- e-e- e- e- e- e-
Pumpen
Grundzustand
1. Angeregter Zustand
2. Angeregter Zustand
Laserlicht
Besetzungsinversion
Das obere Niveau ist viel stärker besetzt als das untere,so dass permanent Photonen produziert werden können.
Verschiedene Lasertypen
Argon-Ionen Laser Aktives Medium:
Ar+ - Ionen
Elektronen werden von derKathode zur Anode beschleunigt.
Durch Stöße zwischen denElektronen und den Ionen werdendie Ar-Atome ionisiert und angeregt.
Die angeregten Ionen gehen in Zustände niedrigererEnergie über und senden dabei Licht aus.
Die Wellenlänge des Lichts ist durch die Differenzder Energien der einzelnen Zustände bestimmt.
Verschiedene Lasertypen
Argon-Ionen Laser
Man kann den Argon-Ionen Laser auf verschiedene Wellenlängen einstellen.
Die stärkste Strahlung erhält man bei
488nm (blau)und 514.5nm (grün),
es sind aber noch anderegrüne, blaue und ultravioletteWellenlängen möglich.
Ein Prisma zerlegt das Lichtgemisch desArgon Lasers in die einzelnen Wellenlängen.
Der Wirkungsgrad von Argon-Lasern istsehr schlecht.
Für 10W Laserstrahlung braucht man rund55.000W elektrische Energie!
Verschiedene Lasertypen
Halbleiter-Laser
Was ist eigentlich ein Halbleiter?
Ein Halbleiter ist ein Material, bei dem die elektrische Leitfähigkeiteingestellt werden kann.
Z. B. durch
•die Temperatur,•durch gezielte Verunreinigung des Materials (Dotierung), oder•durch Anlegen von Spannungen.
Beispiele für Halbleiter sind Silizium oder GalliumArsenid.
Verschiedene Lasertypen
Halbleiter-Laser
Metall – Isolator – Halbleiter
Im Festkörper halten sich die Elektronen in Energiebändern auf.D.h. sie können nur Energien annehmen innerhalbbestimmter Intervalle (Bänder) annehmen.
Valenzband
Leitungsband
Bandlücke
Valenzband
Leitungsband
Bandlücke
Valenzband
Leitungsband
Metall Isolator Halbleiter
Elektronen
Löcher
Anwendungen von Lasern
Natürlich in der Forschung zur Spektroskopie (s. später)
... Aber auch:
•Zum Schweißen (CO2 und Nd:YAG-Laser)
•In der Medizin:•Augenchirurgie•Kosmetik
•Messtechnik (Entfernung, Schichtdicken etc.)
•Unterhaltung (Lasershows / Diskotheken)
•CD / DVD / Blue Ray Disc
•Holografie•Langstrecken-Kommunikation
Photolumineszenz-Spektroskopie
Beispiel:
Quantentopfheterostrukturen
Frage:
Was passiert, wenn wir Elektronen in einen extrem kleinen Topf einsperren?
Elektronen lassen sich in der Quantenmechanik als Teilchen und Wellen beschreiben!
Ein Elektron hat also eine Wellenfunktion ψ(x).
Der Wert von |ψ(x)|2 gibt die Wahrscheinlichkeit an, das Elektron am Ort x zu finden.
d
Starre Wände:Das Elektron kann nicht in die Wände eindringen!⇒ψ(x)=0
Zwischen den Wänden wird das Elektron hin- und herreflektiert.
Die einzelnen Wellen überlagern sich zu einem Sinus.
Für die Wellenlänge gilt: λ=d/2
Photolumineszenz-SpektroskopieQuantentopfheterostrukturen
x-d/2 +d/2
⋅=
⋅=
xd
dxx
π
πψ
2cos
2cos)(
Wellenfunktion
In unserem Fall:dhp
d22
=⇒
=λ
Energie und Impuls hängen voneinander ab:mpE2
2
=
De-Broglie Beziehung verknüpft Wellenlänge und Impulsquantenmechanischer Teilchen!
=λ
ph
=λ
Damit folgt:
2
2
2
2
2
2/4
mdh
mdhE
=
=
Der Laser erzeugt in der ProbeElektronen und Löcher.
Nach einer gewissen Zeit ‚rekombinieren‘Elektron und Loch.
Dabei wird charakteristisches Lichtausgesendet.
Photolumineszenz-SpektroskopieQuantentopfheterostrukturen
Laserlicht
e-
h+
PL-Licht
Solche Quantentopfheterostrukturen können atomlagengenau hergestellt werden.
Beispiele:
GaAs/AlGaAs → CD / DVD-Player, Laserpointer
GaN → Blaue / UV Laser, Blue Ray Disc etc.
Si-Nanopartikel → Optoelektronik
Photolumineszenz-SpektroskopieQuantentopfheterostrukturen
In Quantentopfheterostrukturen hängt die Energie von der Dicke ab.
Das wird ausgenutzt, um die Wellenlänge von Halbleiterlasern maßzuschneidern!
2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
2
4
6
8
10
Ene
rgie
[eV
]
D icke d [nm ]
Mithilfe derPhotolumineszenzspektroskopie (PL)können diese (und andere) Quanteneffekte gemessen werden.
Photolumineszenz-Spektroskopie
Versuchsaufbau:
Laser
Linse
Probe
Linse
Strahlteiler
Gitterspektrometer
Detektor
Spiegel
Inte
nsitä
t
Wellenlänge
720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 9200
10k
20k
30k
40kLaser:λ=514.5 nmP=2 mW
T=-196°C
T=20°C
Inte
nsitä
t [co
unts
]
Wellenlänge λ [nm]
Photolumineszenz-SpektroskopieQuantentopfheterostrukturen
Probe mit Quantentöpfen unterschiedlicher Dicke.
Je schmaler der Topf, desto größer die Energie,d.h. desto kürzer die Wellenlänge.
Photolumineszenz-Spektroskopie
Beispiel: GalliumNitrid-Quantentopfschicht
320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 5200
100
200
300
400
500
PL
Inte
nsitä
t
Wellenlänge λ [nm]
3.8 3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 2.4
Energie E [eV]