Laser: Verstärkung durch induzierte Emission. Sender optischer Strahlung hoher Kohärenz und Leistungsdichte
Editat de W. Kleen G. Grau Editat de R. Müller K. Gürs, D. Rosenberger, G. Winstelde Limba Germană Paperback – 4 sep 2012
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Specificații
ISBN-13: 9783642872679
ISBN-10: 3642872670
Pagini: 588
Ilustrații: XVI, 568 S. 546 Abb.
Greutate: 0.93 kg
Ediția:Softcover reprint of the original 1st ed. 1969
Editura: Springer Berlin, Heidelberg
Colecția Springer
Locul publicării:Berlin, Heidelberg, Germany
ISBN-10: 3642872670
Pagini: 588
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Public țintă
ResearchDescriere
Ursprung dieses Buches ist eine gemeinsame, etwa fünf jährige Arbeit der Ver fasser und der Herausgeber auf dem Gebiet des Lasers im Forschungslaboratorium München der Siemens Aktiengesellschaft. Es gibt wohl kaum ein anderes Teil gebiet der modernen Physik und Technik (vielleicht ausgenommen das der Halb leiter), auf dem im letzten Jahrzehnt die zeitliche Dichte der Veröffentlichungen so groß war wie auf dem des Lasers. Außerdem hat dieses Fachgebiet als Grund lage eine Vielzahl recht verschiedener Spezialwissenschaften. Die Fülle und Viel fältigkeit des Stoffes sowie die Existenz von drei Laserarten, die sich durch ihre den Werkstoffen angepaßten Anregungsmechanismen unterscheiden, waren An laß für den Entschluß, mehrere Autoren heranzuziehen, von denen jeder einige Jahre auf einem der Teilgebiete tätig war. Die dadurch entstandene Gefährdung einer einheitlichen Darstellung hoffen wir durch gegenseitige Abstimmung soweit wie möglich vermieden zu haben. Zur Vielfältigkeit der Probleme auf dem Gebiet des Lasers folgendes: Die theo retische Grundlage bildet die Quantenphysik, im besonderen die Theorie der Spek tren. Wellenoptik und geometrische Optik sind weitere Elemente der Physik des Lasers, ebenso die Kristallphysik, insbesondere die optischen Eigenschaften von Einkristallen. All dies sind Teilgebiete der Physik. Daneben existieren Bereiche, die mit der Nachrichtentechnik eng verbunden sind.
Cuprins
1 Phänomenologische Beschreibung und Übersicht (Kleen).- Literatur.- 2 Atomphysikalische Grundlagen laseraktiver Stoffe (Rosenberger).- 2.1 Einleitung.- 2.2 Das Einelektronensystem.- 2.2.1 Empirischer Befund.- 2.2.2 Bohrsches Atommodell.- 2.2.3 Hauptquantenzahl, Termschema.- 2.2.4 Quantenmechanische Beschreibung.- 2.2.5 Nebenquantenzahlen l und ml, Bahndrehimpuls.- 2.2.6 Spinnquantenzahlen s und ms.- 2.3 Mehrelektronensysteme.- 2.3.1 Bezeichnung von Elektronenkonfigurationen.- 2.3.2 Verschiedene Kopplungstypen.- 2.4 LS-Kopplung.- 2.4.1 Kopplung von Bahndrehimpulsen.- 2.4.2 Kopplung von Spindrehimpulsen.- 2.4.3 Kopplung der Bahn- und Spindrehimpulssysteme.- 2.4.4 Multiplizität und Termbezeichnung.- 2.4.5 Termfolge.- 2.4.6 Grundterme.- 2.4.7 Richtungsentartung.- 2.5 Edelgasspektren, Racah-Kopplungsschema.- 2.5.1 Überblick.- 2.5.2 Racah-Kopplungsschema.- 2.5.3 Paschensche Bezeichnung der Edelgasniveaus.- 2.6 Die Spektren der Seltenen Erden.- 2.7 Auswahlregeln für strahlende Übergänge in freien Atomen und Ionen.- 2.8 Atome und Ionen im homogenen äußeren Magnetfeld (Zeemaneffekt).- 2.8.1 Kopplung von Drehimpulsen und magnetischen Momenten.- 2.8.2 Aufspaltung der Energieniveaus und Auswahlregeln für strahlende Übergänge.- 2.9 Ionen im elektrischen Kristallfeld.- 2.9.1 Die Kristallfeldaufspaltung bei den Seltenen Erden.- 2.10 Molekülspektren.- 2.10.1 Überblick.- 2.10.2 Elektronenzustände von zweiatomigen Molekülen.- 2.10.3 Schwingungszustände von Molekülen.- 2.10.4 Rotationszustände von Molekülen.- 2.11 Besetzung und Übergangswahrscheinlichkeiten.- 2.12 Linienform.- 2.13 Linienintensität und Verstärkung.- 2.14 Querschnitte bei Stoßprozessen.- Literatur.- 3 Optische Resonatoren und Ausbreitungsgesetze für Laserstrahlen (Grau).- 3.1 Einführende Bemerkungen.- 3.2 Der Übergang vom Hohlraumresonator zum Fabry-Perot-Resonator.- 3.3 Der Fabry-Perot-Resonator.- 3.3.1 Die Integralgleichung des Fabry-Perot-Resonators.- 3.3.2 Analytische Lösung für den Fabry-Perot-Resonator.- 3.4 Der konfokale Resonator mit sphärischen Spiegeln.- 3.4.1 Die Integralgleichung des konfokalen Resonators.- 3.4.2 Diskussion der Lösung für den konfokalen Resonator.- 3.5 Allgemeine Resonatoren mit sphärischen Spiegeln.- 3.5.1 Einleitung.- 3.5.2 Der Strahlverlauf und die Resonanzbedingung.- 3.5.3 Das Stabilitätsdiagramm der Resonatoren mit sphärischen Spiegeln.- 3.5.4 Beugungsverluste in allgemeinen Resonatoren.- 3.5.5 Äquivalente Resonatoren.- 3.6 Anpassung und Abbildung Gaußscher Strahlen.- 3.7 Äquivalenz von Resonator und Linsenleitung. Blenden und Linsen im Resonator; Ringresonatoren.- 3.8 Unterdrückung unerwünschter Moden.- Literatur.- 4 Der Laser als Verstärker und Oszillator (Gürs).- 4.1 Einleitung.- 4.2 Optische Verstärker.- 4.3 Nichtlineare Verstärkung, Sättigung.- 4.4 Die Schawlow-Townessche Anschwingbedingung für den Laseroszillator.- 4.5 Die Bilanzgleichungen.- 4.6 Das zeitliche Emissionsverhalten, Relaxationsschwingungen.- 4.7 Die Verteilung der Schwingungsenergie über die Länge des Laserresonators.- 4.8 Optimale Auskopplung.- 4.9 Zur Quantentheorie des Lasers.- 4.10 Die Bilanzgleichungen als Näherung der „neoklassischen“ Gleichungen.- 4.11 Der Effekt der Frequenzverschiebung bei homogen verbreiterter Linie.- 4.12 Linienprofil und Laserfrequenz bei inhomogen verbreiterter Linie.- 4.13 Die Möglichkeit der Koexistenz mehrerer angeregter Eigenschwingungen.- 4.14 Spezielle Effekte.- Literatur.- 5 Der optisch gepumpte Festkörperlaser (Gürs).- 5.1 Optisches Pumpen.- 5.1.1 Einleitung.- 5.1.2 Drei- und Vier-Niveau-Laser.- 5.1.3 Pumpquellen.- 5.1.4 Pumplichtreflektoren.- 5.1.5 Kondensoranordnungen.- 5.2 Resonanzstrukturen.- 5.3 Die für das Schwingungsverhalten eines Festkörperlasers maßgebenden Größen.- 5.3.1 Pumpleistung.- 5.3.2 Resonatorverluste.- 5.3.3 Linienbreite.- 5.3.4 Lebensdauer.- 5.4 Die Eigenschaften der Emission.- 5.4.1 Einleitung.- 5.4.2 Das zeitliche Emissionsverhalten.- 5.4.3 Die räumliche Verteilung der Schwingungsintensität und der Öffnungswinkel des Laserstrahls.- 5.4.4 Die Polarisation der Laserstrahlung.- 5.5 Der Festkörperlaser mit nur einer Eigenschwingung, „mode-selection“.- 5.5.1 Selektive Anregung des transversalen Grundmodes.- 5.5.2 Erzeugung nur einer longitudinalen Eigenschwingung.- 5.6 Der Riesenimpuls-Laser.- 5.6.1 Die Methoden der Impulserzeugung.- 5.6.2 Die Dynamik des Riesenimpuls-Lasers mit aktivem Schalter.- 5.6.3 Theorie des Lasers mit passivem Schalter.- 5.6.4 Geeignete Materialien für Riesenimpuls-Laser.- 5.6.5 Spektrum des Riesenimpuls-Lasers.- 5.7 Der kontinuierliche Festkörperlaser.- 5.7.1 Einleitung.- 5.7.2 Sonnengepumpte Laser.- 5.7.3 Kontinuierliche Rubinlaser.- 5.7.4 Kontinuierliche Granatlaser.- 5.8 Spektroskopische Daten der wichtigsten Kristalle und Gläser.- 5.9 Der reale Festkörperlaser mit Materialfehlern und thermischen Störungen.- 5.10 Flüssigkeitslaser.- Tabelle: Werkstoffe und Daten von Festkörperlasern.- Literatur.- 6 Der Gaslaser (Rosenberger).- 6.1 Überblick.- 6.2 Erzielung von Besetzungsinversion.- 6.2.1 Anregungsmechanismen.- 6.2.2 Messung von Dichte und Energieverteilung der Elektronen.- 6.2.3 Energieverteilung und Dichte der Elektronen bei unterschiedlichen Entladungsformen.- 6.2.4 Lebensdauerbedingung.- 6.3 Der Helium-Neon-Laser.- 6.3.1 Überblick.- 6.3.2 Die Besetzung der oberen Laserniveaus 2s und 3s.- 6.3.3 Besetzung der unteren Laserniveaus 2p und 3p.- 6.3.4 Lebensdauern und Übergangswahrscheinlichkeiten; 2s—2p-Übergänge.- 6.3.5 3s—2p- und 3s—3p-Übergänge.- 6.3.6 Wechselwirkung verschiedener Laserübergänge, Kaskadenlaser.- 6.3.7 Verstärkung des He-Ne-Lasers.- 6.3.8 Die Sättigung der Verstärkung bei Oszillation.- 6.3.9 Leistungsdichte und optimale Ausgangsleistung des He-Ne-Lasers.- 6.3.10 Das Eigen- und Zwischenfrequenzspektrum des He-Ne-Lasers.- 6.3.11 Wechselwirkung gekoppelter Oszillationen.- 6.3.12 Oszillation und Kopplung von Eigenschwingungen beliebiger und unterschiedlicher Polarisation.- 6.3.13 Zeeman-Effekt im Helium-Neon-Laser.- 6.4 Laserübergänge in neutralen Gasen und Dämpfen (außer He-Ne).- 6.4.1 Überblick.- 6.4.2 Neonlaser.- 6.4.3 Xenonlaser.- 6.4.4 Laser-Übergänge zwischen den Niveaus 2p und 1s der Edelgase Neon, Argon, Krypton und Xenon.- 6.4.5 Laserübergänge in atomarem Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff (Anregung durch Stöße 2. Art mit nachfolgender Dissoziation).- 6.5 Ionenlaser.- 6.5.1 Überblick.- 6.5.2 Edelgas-Ionen-Laser.- 6.5.3 Quecksilber-Ionen-Laser.- 6.6 Laserübergänge in Molekülen.- 6.6.1 Überblick.- 6.6.2 Laserübergänge zwischen Rotations-Schwingungstermen linearer Moleküle; CO2-Laser.- 6.6.3 Elektronenbandenübergänge in Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenmonoxyd.- 6.7 Gaslaser mit speziellen Anregungsmechanismen.- 6.7.1 Anregung durch optisches Pumpen; der Cäsiumdampf-Laser.- 6.7.2 Anregung durch Photodissoziation.- 6.7.3 Anregung durch chemische Reaktionen.- 6.8 Praktische Ausführungsformen von Gaslasern.- 6.9 Stabilisierung der Frequenz von Gaslasern.- Tabelle: Laserübergänge in Atomen, Ionen und Molekülen.- Literatur.- 7 Der Halbleiterlaser (Winstel).- 7.1 Einleitung und historischer Überblick.- 7.2 Grundlagen.- 7.2.1 Elektronen im Halbleiter.- 7.2.2 Elektronenübergänge im Halbleiter.- 7.2.3 Strahlende Band-Band-Übergänge.- 7.2.4 Emissions- und Absorptionsspektren.- 7.2.5 Rekombinationsrate und Trägerlebensdauer.- 7.2.6 Die Laserbedingung.- 7.3 Physik des Injektionslasers.- 7.3.1 Anregungsarten.- 7.3.2 Laserbedingung für den realen Halbleiterlaser.- 7.3.3 Der Schwellenstrom beim Diodenlaser.- 7.3.4 Wellenausbreitung im Diodenlaser.- 7.3.5 Schwingungsmoden beim Diodenlaser.- 7.3.6 Zeitverhalten der Emission eines Diodenlasers.- 7.4 Spezielle Eigenschaften von Injektionslasern.- 7.4.1 Einfluß von Magnetfeld und mechanischen Spannungen.- 7.4.2 Herstellungsverfahren für Diodenlaser.- 7.4.3 Aufbau optimaler Diodenlaser für hohe Betriebstemperaturen.- 7.4.4 Der Elektronenstrahl-Injektionslaser.- Tabelle: Kenndaten verschiedener für Laser interessanter Halbleitermaterialien.- Literatur.- 8 Modulationsverfahren (Müller).- 8.1 Einleitung.- 8.2 Externe Modulationsverfahren.- 8.2.1 Elektrische Doppelbrechung in Kristallen vom Typ XH2PO4.- 8.2.2 Phasenmodulation von Licht.- 8.2.3 Amplitudenmodulation von Licht mit Hilfe des linearen elektrooptischen Effektes.- 8.2.4 Einseitenband-Modulation, Frequenzversetzung.- 8.2.5 Lauffeldmodulatoren.- 8.2.6 Modulatoren unter Verwendung optischer Resonatoren.- 8.2.7 Ablenkmodulation.- 8.2.8 Weitere zur Modulation geeignete Effekte.- 8.3 Interne Modulation.- 8.3.1 Niederfrequenzmodulation — Quasistationäre Betrachtungsweise.- 8.3.2 Abgestimmte Hochfrequenzmodulation.- 8.3.3 Modulationsverfahren, die nur für die interne Modulation geeignet sind.- 8.4 Auskoppelmodulation.- 8.5 Demodulation.- Literatur.- 9 Rauschen und Kohärenz im optischen Spektralbereich (Grau).- 9.1 Grundlagen des Quantenrauschens.- 9.1.1 Der Begriff der Moden im Strahlungsfeld.- 9.1.2 Unschärferelation und Quantenrauschen.- 9.1.3 Berechnung des Quantenrauschens.- 9.1.4 Das minimale Rauschen bei verschiedenen Empfangsverfahren.- 9.1.5 Die Photonenverteilung von Signal, Rauschen und deren Superposition.- 9.2 Rauschen von Quantenverstärkern. Informationstheorie.- 9.2.1 Einleitung.- 9.2.2 Berechnung des Verstärkerrauschens.- 9.2.3 Der maximale Transinformationsgehalt im Quantenbereich.- 9.2.4 Abschließende Bemerkungen.- 9.3 Kohärenzeigenschaften optischer Felder.- 9.3.1 Einleitung.- 9.3.2 Der klassische Kohärenzbegriff.- 9.4 Das Rauschen von Laseroszillatoren.- 9.4.1 Einleitung.- 9.4.2 Qualitative Betrachtungen zum Oszillatorrauschen.- 9.4.3 Die lineare Theorie der Linienbreite.- 9.4.4 Die nichtlineare Theorie der Linienbreite.- 9.5 Messungen an optischen Feldern.- 9.5.1 Die Verteilung der Photoelektronen.- 9.5.2 Das Spektrum des Photostromes.- 9.5.3 Praktische Beispiele für Photoelektronenverteilungen.- 9.5.4 Streuung der Photoelektronenanzahl bei Beleuchten eines Detektors mit Gaußschem Licht und nichtidealem Laserlicht.- 9.5.5 Das Spektrum des Photostromes bei Beleuchten eines Detektors mit Gaußschem Licht und nichtidealem Laserlicht.- 9.5.6 Koinzidenzmessungen.- 9.5.7 Experimente mit Laserlicht.- Literatur.- 10 Anwendungen.- 10.1 Nachrichtenübertragung (Müller).- Literatur.- 10.2 Übertragungsleitungen für Lichtstrahlen (Grau).- Literatur.- 10.3 Ortung (Müller).- Literatur.- 10.4 Optische Datenverarbeitung (Müller).- Literatur.- 10.5 Holographie (Grau).- Literatur.- 10.6 Kurzzeitphotographie (Gürs).- Literatur.- 10.7 Nichtlineare Optik (Grau).- 10.7.1 Einleitung.- 10.7.2 Grundlegende Beziehungen.- 10.7.3 Effekte zufolge des Tensors ?ijk(2).- 10.7.4 Effekte zufolge des Tensors ?ijkl(3).- 10.7.5 Weitere nichtlineare Effekte.- Literatur.- 10.8 Plasmaerzeugung und -diagnostik (Gürs).- Literatur.- 10.9 Materialbearbeitung (Gürs).- Literatur.- 10.10 Medizinische und biologische Anwendungen (Müller).- Literatur.- 10.11 Präzisionsmessung geometrischer und mechanischer Größen (Gürs).- Literatur.