Laser und industrielle Laseranwendungen

Der Kurs beginnt mit einer Einführung in Grundlagen der Laserphysik. Schwerpunkte sind dabei die atomaren Prozesse bei der Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung und die technische Umsetzung dieser Prozesse in einem Lasersystem. Für die experimentellen Arbeiten wird ein mit Praseodym dotierter Yttrium-Lithium-Fluorid (Pr:YLF)-Kristall als Lasermedium verwendet. Pr:YLF hat ein Absorptionsmaximum bei 444 nm und ein Emissionsmaximum bei 640 nm; sowohl das Pumplicht als auch der Laserübergang liegen also im Sichtbaren und ermöglichen damit eine zuverlässige Justage. Im Experiment bauen die Teilnehmer zunächst den Kondensor für das Pumplicht auf, nutzen Rückreflexe und Fluoreszenzlicht für Aufbau und Justage der Resonatoren und optimieren schließlich die Verstärkung bis der Laserprozess startet. Mit einem optischen Gitter bestimmen sie die Wellenlänge der Laserstrahlung und untersuchen das Fluoreszenzspektrum von Pr:YLF. Ihre Ergebnisse diskutieren sie mit Blick auf das Energieniveaudiagramm von Pr:YLF und den Laserprozess.

Experimente    

• Aufbau der Lasersysteme aus den Einzelkomponenten
• Feinjustage der Resonatoren und Inbetriebnahme der Lasersysteme
• Untersuchung der Fluoreszenz von Pr:YLF
• Bestimmung der Wellenlänge der Laserstrahlung durch Beugung und Interferenz am Gitter

          Die Teilnehmer arbeiten an Themen zu den Welleneigenschaften von Licht (Beugung und Interferenz) und zur quantisierten Energieaufnahme und Energieabgabe unterschiedlicher Stoffe bei Absorption, Emission und Fluoreszenz. In Messungen der Strahlungsleistung unterschiedlicher Lichtquellen und der mittleren Lebensdauer von Elektronen im angeregten Zustand erfahren die Teilnehmenden, dass die Energie von Licht für eine gewisse Zeit in einem Material gespeichert werden kann: eine Voraussetzung für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission.   Für die Laserexperimente nutzen die Teilnehmer mit Praseodym dotiertes YLiF4 (Pr:YLF) als Lasermedium. Pr:YLF besitzt ein Absorptionsmaximum bei 444 nm und ein Emissionsmaximum bei 640 nm, sowohl das Pumplicht als auch der Laserübergang liegen damit im Sichtbaren wodurch der eigenständige Aufbau und die Justage der gesamten Lasersysteme zuverlässig möglich ist. Die Ergebnisse der ausführlichen Charakterisierung der Laser diskutieren die Teilnehmenden im Wellenbild (Wellenlänge, Kohärenzlänge) und im Teilchenbild (Fluoreszenzspektrum, mittlere Lebensdauer). Auch die Bewertung der experimentell gemessenen Effizienz der Energiekonversion im Laser erfolgt mit Blick auf atomare und makroskopische Prozesse.   Nach erfolgreicher Charakterisierung nutzen die Teilnehmer im vier- bzw. fünftägigen Kurs „ihre“ Laser in Anwendungen (Messung der Lichtgeschwindigkeit in Luft, Messung der Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vom Luftdruck) und experimentieren zu weiterführenden Phänomenen wie Wellenlängenselektion und Frequenzverdopplung. Abschließend diskutieren sie die Relevanz und das Potential der Laserphysik für technologische Innovationen und erhalten bei einer Laborexkursion in die Fakultät für Physik Einblicke in aktuelle Forschung mit Lasern. Aus den folgenden Experimenten werden 3 im Kurs ausgewählt und durchgeführt:

• Absorption, Emission, Fluoreszenz (Energieniveaus und Photonen)
• Messung der Strahlungsleistung mit Photodetektor und Oszilloskop (Quantisierung des Energieflusses)
• Aufbau und Charakterisierung von Pr:YLF-Lasern (Fluoreszenzspektrum, mittlere Lebensdauer der Elektronen im angeregten Zustand, Wellenlänge, Kohärenz, Spiking)
• Energiekonversion im Laser (atomare und makroskopische Effizienz)
• Laseranwendungen (z. B. Interferometrie, Messung der Lichtgeschwindigkeit, Wellenlängenselektion, Frequenzverdopplung)