Laser

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.