Femtosekundenlaser (eBook)

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

Vorwort 5
Inhalt 6
1 Einleitung 9
2 Geschichte der Kurzzeittechnik 11
3 Theoretische Grundlagen 19
3.1 Methoden der Erzeugung 21
3.1.1 Aktives Modenkoppeln 25
3.1.2 Passives Modenkoppeln 27
3.1.3 Phasen-Modulation 29
3.1.4 Code-Pulse-Modelocking 29
3.1.5 Synchrones Pumpen 31
3.1.6 Hybride Modenkoppel-Techniken 34
3.1.7 „Moving Mirror“-Modenkoppeln 34
3.1.8 Feedback Controlled Modelocking 35
3.1.9 Optische Kompressionstechniken 36
3.2 Ausbreitungseigenschaften von ultrakurzen Impulsen 40
3.3 Nichtlineare optische Effekte 43
3.3.1 Frequenzverdopplung 47
3.3.2 Frequenzverdreifachung 49
3.3.3 Selbstfokussierung 51
3.3.4 Selbstphasenmodulation 52
3.3.5 Vierwellen-Mischen 53
3.3.6 Raman-induzierter Kerreffekt 55
3.3.7 Mehrfotonenprozesse 56
3.4 Techniken zur Messung von Femtosekundenereignissen 58
3.4.1 Anrege- und Nachweistechniken 58
3.4.2 Anrege-Entleere-Nachweistechnik 60
3.4.3 Fotonenecho 61
3.4.4 Z-Scan-Methode 62
3.4.5 Transiente Absorption 64
3.4.6 Kontinuierlich arbeitende Lasersysteme 65
3.4.7 Lichtauswertetechniken in zeitaufgelösten Messungen 66
4 Klassifizierung von Femtosekundenlasern 69
5 Ultrakurzzeitlasertypen 71
5.1 Festkörperlaser 74
5.1.1 Der Titan-Saphir-Laser 74
5.1.2 Der Nd:YAG-Laser 82
5.1.3 Der Rubinlaser 84
5.1.4 Der Cr:LiSAF-Laser 86
5.1.5 Der Cr:YAG-Laser 86
5.1.6 Der Cr:Forsterit-Laser 87
5.1.7 Der Pr:YLF-Laser 88
5.1.8 Modengekoppelte Faserlaser 88
5.2 Gaslaser 91
Der Argonionenlaser 92
5.3 Flüssigkeitslaser 95
5.3.1 Der Farbstofflaser 95
5.3.2 Distributed Feedback Dye Laser 99
5.4 Der Freie-Elektronen-Laser 100
6 Charakterisierung von Femtosekundenpulsen 103
6.1 Pulsspektrum 103
6.2 Messung der Pulsdauer 104
6.2.1 Autokorrelation 105
6.2.2 Kreuzkorrelation 111
6.2.3 Stroboskopie 112
6.2.4 Die Streakkamera 113
7 Femtosekundenoptiken und -instrumente 117
7.1 Femtosekundenoptiken 117
7.1.1 Spiegel 118
7.1.2 Interferenzfilter 118
7.1.3 Das Lyot-Filter 119
7.1.4 Das ./4-Plattchen 120
7.1.5 Brewster-Polarisatoren 120
7.1.6 Glan-Thompson-Prisma 121
7.1.7 Pellin-Broca-Prisma 122
7.1.8 Die Keramikapertur 122
7.1.9 Die Dünnschichtpolarisatoren 122
7.1.10 Die Pockelszelle 122
7.1.11 Die Kerrzelle 123
7.1.12 Der Faraday-Modulator 124
7.1.13 Akustooptischer Modulator 124
7.1.14 Nichtlineare Optik 125
7.1.15 Adaptive Optik 126
7.2 Femtosekundeninstrumente 127
7.2.1 Verstärkersysteme 128
7.2.2 Optisch parametrischer Oszillator/Verstärker 135
7.2.3 Strecker und Kompressor 137
7.2.4 Der Cavity-Dumper 138
7.2.5 Monochromatoren 139
7.2.6 Mikroskope 140
7.2.7 Fabry-Perot-Interferometer 142
7.2.8 Gires-Tournois-Interferometer 143
7.2.9 Michelson-Interferometer 144
7.2.10 Femtosekunden Sagnac Interferometrie 145
8 Anwendungen von Femtosekundenlasern 147
8.1 Femtowissenschaft 147
8.2 Femtochemie 149
8.3 Femtobiologie 177
8.4 Attophysik 187
8.5 Medizin 192
8.6 Pharmazie 199
8.7 Spektroskopie 200
8.8 Materialforschung 205
8.9 Verbrennungsforschung 207
8.10 Telekommunikationstechnik 208
8.11 Nanotechnologie 215
8.12 Umwelttechnik und Meteorologie 218
8.13 Kalter Abtrag von Korrosionen 220
8.14 Messtechnik 221
8.15 Optoelektronik 222
8.17 Femtonik 227
8.18 Clusterphysik 228
8.19 Oberflächen- und Grenzflächenphysik 230
8.20 Plasmaphysik 232
9 Ausgewählte Beispiele 235
10 Ausblick 247
Literatur 249
Glossar 255
Sachverzeichnis 271

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.