Fragen bzgl. Lasern - Bitte um Beantwortung! :)

Physikalische Grundlagen, Information und Fragen zu Lasern.

Moderator: ekkard

Fragen bzgl. Lasern - Bitte um Beantwortung! :)

Beitragvon Darya » Sa 02 Mai, 2015 5:48 pm

Hallo liebe LaserFreaks,

ich habe ein paar Fragen bezüglich Lasern. Dieses Thema hat mein Professor in der Vorlesung behandelt und ist oftmals ziemlich schnell und ohne viel zu erklären durch die Folien gegangen. Daher blieben viele offene Fragen bei mir zurück.. und ich wäre wirklich sehr, sehr froh, wenn sich jemand die Zeit nehmen würde, um mir diese Fragen zu beantworten.

1.) Wie wird ein gain Spektrum ermittelt? (In den Folien steht irgendwas von Transmissionsspektroskopie, aber ich kann mir nicht wirklich was darunter vorstellen.)

2.) Wozu braucht man TE- und TM-Moden? Was ist genau der Unterschied? Wann werden welche Moden bevorzugt? Was sind sie überhaupt genau?

3.) Könnt ihr mir etwas über Lasereffekte in Flüssigkristallen ("mirrorless lasing") erzählen?

4.) Was sind die Probleme beim Lasern mit elektrischem Pumpen? Warum muss zwischen der stimulierten Emission und
der photoinduzierten Absorption (photoinduced absorption),
der Absorption des angeregten Zustandes (excited state absorption),
der verbleibenden Absporption (residual absorption)
eine spektrale Trennung sein, warum dürfen sich also die Spektren nicht überlappen?

5.) Warum kommt es zu enormen Verlusten, wenn sich der organische Halbleiter direkt auf einem Metall befindet? (Bei DFB-Strukturen auf Silber steigt der Threshold um den Faktor 150.) Hingegen, warum hilft es, wenn man den Wellenleiter mit einem Mantel umgibt, der einen niedrigen Brechungsindex als der Wellenleiter hat? (Haben Metalle nicht sowieso auch einen sehr niedrigen Brechungsindex?)

Ich danke euch vielmals für eure Hilfe! :)

Liebe Grüße,
Darya
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Re: Fragen bzgl. Lasern - Bitte um Beantwortung! :)

Beitragvon mikesupi » Sa 02 Mai, 2015 5:51 pm

Hm,

wie wäre es denn erst mal mit einer Vorstellung?


...
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Re: Fragen bzgl. Lasern - Bitte um Beantwortung! :)

Beitragvon Darya » Sa 02 Mai, 2015 5:58 pm

Da hast du natürlich Recht. Das tut mir Leid, ich hatte einfach im Internet nach einer Forumseite über Laser gesucht, mich hier angemeldet und dann sofort drauflos getippt.
Also, ich heiße Darya, bin 21 Jahre alt und Studentin. Wissen über Laser hab ich soweit keines.. nur ein paar Grundlagen eben aus dieser Vorlesung. Deswegen bin ich ja hier in diesem Forum gelandet :)
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Re: Fragen bzgl. Lasern - Bitte um Beantwortung! :)

Beitragvon Dr. Burne » So 03 Mai, 2015 1:19 am

Hi,

zu 1. fällt mir spontan nur ein, dass ein gain Spektrum aussagt, bei welcher Wellenlänge der Laser wie viel Strahlung abgeben kann.
Typischerweise ist das bei normalen Halbleiterlasern eine Zentralwelenlänge mit einer relativ großen Spektralbreite.
Anders sieht es bei Multiline Lasern aus, wie z.B. Argon, Krypton, HeNe oder Metalldampflaser,
hier gibt es mehrere Wellenlängen, wo die Verstärkung ausreicht um mit passenden Output Spiegelbeschichtung sogar mehr wie eine Wellenlänge gleichzeitig emittieren zu lassen
und die Verstärkung spiegelt sich dann deutlioch nieder, da idR die Wellenlängen mit der größten Verstärkung proportional am stärksten lasern,
es kann aber auch dazu kommen, dass sobald eine Wellenlänge anfängt zu lasern von einer anderen Wellenlänge entweder aus dem oberen Energieniveau angeregte Atome entladen werden,
so dass die andere Wellenlänge zusammenbricht oder zumindest stark geschwächt wird
bzw. das untere Energieniveau zu schnell aufgefüllt wird und somit eine andere Wellenlänge gar nicht erst anschwingen kann, da sie niemals eine positives Verhältnis zwischen oberen und Unterem Energieniveau errreicht.

Also ein Gain Spektrum bezieht sich in diesem Fall nur auf den Laseroutputt, man kann es z.B. ermitteln indem man Multiline Optiken verwendet, jedoch ein Prisma im Strahlengang dazwischen hat, so dass nur eine Wellenlänge anschwingen kann,
somit eliminiert man auch die gegenseitige Beeinflussung von Laserlinien.
Man kann natürlich auch das ganze mithilfe der Laserniveaus berechnen.


Anders sieht es bei sogenannten optisch gepumpten Lasern aus. Ich denke mal darüber hat er das Referat gehalten, wenn ich mir die anderen Fragen ansehe, eventuell sogar über Faserlaser.
Hier wird immer zwischen der Pumpabsorption und der Laser Emission unterschieden.
Lange Rede hier die Antwort zu 1.: Die Absorbtion kann man mit einer in der Wellenlänge kontinuierlich veränderbaren Lichtquelle messen,
indem man einfach schaut wie viel Licht je nach Wellenlänge durch das Lasermedium durch geht, wenn man Reflektionsverluste ect. mit kalkuliert, bekannt als Transmissionsspektroskopie.

zu 2.
TEM Moden kannst du recht einfach im Strahl des Lasers sehen, bzw. in IR oder UV durch entsprechenden Messgeräte oder Kameras sichtbar machen.
Bild
TEM ist die kombination von TE und TM Moden, also elektrische und magnetische Felder kombiniert ergeben dann das Strahlprofil
Meistens ist TEM00 erwünscht, wobei TE und TM Moden genau um 90° phasenverschoben und auch im Profil identisch sind
Andere TEM Moden kommen zustande wenn das nicht der Fall ist, die dunklen Bereiche sind dann Auslöschungen der Felder, während die hellen Bereiche normal sind.


zu. 3. müsste ich selber googeln da wird es sicher gute Fachartikel zu geben

zu. 4. generell
Es muss immer ein positives Verhältnis der Verstärkung gegeben sein, damit überhaupt ein Laser entsteht, dafür steht das A in LASER
Nun ist es sehr unglücklich, wenn das Absorptionsspektrum genau über dem Emissionsspektrum liegen würde, da so jedes stimulierte Photon direkt wieder geschluckt würde und auch erst gar keine unterschiedlichen Laserenergieniveaus enstehen könnten,
andererseits wenn sie sehr nah aneinanderliegen würde die Pumpstrahlung auch dafür sorgen, dass die stimulierte Emission nicht stattfinden kann, weil die inkoherente Pumpstrahlung keine stimulierte Emission zulassen würde.

Andererseits wenn du koherentes Licht bei genau der gleichen Wellenlänge wie das Emissionsspektrum des Lasermediums zum pumpen werwendsen würdest, würde dein Pumplicht ja schon der Laser sein den du am Ende haben willst, theoretisch kannst du dein Lasermedium mit einem Laser mit gleichem Medium pumpen es macht nur absolut null Sinn.


Stimulierte Emission kann alles mögliche sein, von elektrischen Strom, über Mikrowellen, Ultraschall(idR nur zum Wellenlängen in der Frequenz zu schieben) bis hin zu Gammastrahlung aus einem Teilchenbeschleuniger oder gar Atombomben wie im Star Wars Programm der USA mal geplant war

Photonen induzierte Absorption bezieht sich nur auf Licht aus Etladungalampen oder anderen Lasern

Absorption des angeregten Zustandes ist nur der Bereich, wo das Laserniveau das man braucht gepumpt wird,
bei Entladungslampen wird nur ein sehr kleiner bereich des Spektrums letztendlich zum Pumpen des Lasers effektiv verwendet

verbleibende Absorption müsste der Rest sein, der zum Großteil letztendlich nur in Wärme umgewandelt wird

spektrale Trennung ist zwingend notwendig, damit ein optisch gepumpter Laser überhaupt funktionieren kann,
z.B. ein Nd:YAG hat sein Absorptionsmaximum des angeregten Zustandes bei 800-820nm und die stärkste Emissionswellenlänge bei 1064nm,
somit ist gewährleistet, dass der Kristall nicht gleich wieder die stimulierten Photonen absorbiert, es müssen immer mehr Atome im oberen als im unteren sein, dadurch wird das Photon verstärkt anstatt Absorbiert zu werden,
weitere Infos findest du darüber unter 2, 3 oder 4 Niveau Laser mit Google.

5. zum zweiten Teil
Metalle haben gar keinen Brechungsindex!
Nur Stoffe durch die Licht transmittiert wird haben einen Brechungsindex, in der normalen Welt begegnen uns nur positive Brechungsindizes.
Es gibt auch im Labor Medien die einen negativen Brechungsindex haben.
Generall ist es bei Faserlasern oder Glasfasern der Fall, dass man entweder 2. Stoffe mit unterschiedlichen Brechungsindizes so angeordnet werden, dass es zur Totalreflektion in der Faser kommt,
daher hat man fast keine Refeltionsverluste.
Moderne Fasern haben aber keinen harten Übergang, sondern einen weichen, dadurch wird der Strahl gebeugt was zu geringeren Verlusten führt.
Wenn man den Wellenleiter mit Metall umgibt hat man immer bei jeder Reflektion nur 80-96% Wirkungsgrad je nach Metall Silber ist bei sichtbaren Licht noch das Metall mit dem besten Wirkungsgrad,
schon bei geringen Distanzen führen die vielen Reflektionen die in der Faser notwendig sind zu massiven Verlusten, wenn man bedenkt das hier oft mit 20-30mm Brennweite gearbeitet wird.
Bild So sind Chinakisten halt!

Wellenlängensammlung 405 445 457,9 465,8 472,7 476,5 488 496,5 501,7 514,5 520 528,7 532 543,4 632,8 640 658 780
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Re: Fragen bzgl. Lasern - Bitte um Beantwortung! :)

Beitragvon Darya » Mo 04 Mai, 2015 1:36 pm

Vielen lieben Dank für diese detaillierte und informative Beantwortung meiner Fragen, Dr Burne! Das hat mir wirklich enorm weitergeholfen. Liebe Grüße (:
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Re: Fragen bzgl. Lasern - Bitte um Beantwortung! :)

Beitragvon Offenbarungsjoe » Di 05 Mai, 2015 12:38 pm

Ergänzend zu 2): eine Mode ist die räumliche Energieverteilung einer stehenden Welle. Die Bezeichnung der Moden mit TE, TM und TEM sagt dir, wie die magnetischen und elektrischen Felder der Strahlung in Bezug zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Das T steht dabei für transversal (auf einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung), E und M für die beiden Feldarten. In einer TE-Mode schwingt also nur das magnetische Feld in Ausbreitungsrichtung (longitudinal statt transversal), bei der TM-Mode ist es umgekehrt, bei den TEM-Moden schwingen keine Felder in Ausbreitungsrichtung. Damit kann eine TEM-Mode auch nicht als Kombination von TE und TM entstehen. Welche Art von Mode (TE/TM/TEM/) sich ausbildet hängt vom Typ des Resonators ab (Hohlleiter/Koaxialkabel/etc.), die Ordnung der Mode (die Zahlen im Index) hängt von der Resonatorgeometrie ab.

Zu 3) kann ich dir sagen, daß die Flüssigkristalle, die dafür genutzt werden, eine Art Material sind, das man "photonischen Kristall" nennt. Der Begriff ist in dem Zusammenhang etwas irreführend, das Material muss nicht aus einem Kristall bestehen, es zeigt lediglich optische Eigenschaften, die dem Effekt von Kristallen auf Röntgenstrahlen gleichen. Unter bestimmten Voraussetzungen zeigen diese Materialien eine hohe Reflektivität für Wellenlängen, die innerhalb der "photonischen Bandlücke" liegen. Dieses Verhalten kann dann einen Resonator erzeugen, mit dem ein Laserbetrieb möglich ist. Für weitergehende Infos müsstest du eine präzisere Frage stellen, oder dich mittels Google über die in Anführungszeichen geschriebenen Begriffe selbst einlesen.

Zu 5):
Als Erstes eine Richtigstellung, Metalle (und auch alle anderen Materialien, die nicht durchsichtig sind) haben natürlich einen Brechungsindex. Dieser ist nicht nur für die Transmission, sondern auch für Absorption und Reflektion entscheidend. Die Farbe in der ein Metall erscheint wird zum Beispiel dadurch bestimmt, daß gewisse Wellenlängen nicht reflektiert werden ("Plasmafrequenz" oder "Plasmakante" als weiterführendes Stichwort).
Zu der/den eigentlichen Fragen kann ich nicht mit Sicherheit eine Antwort geben. Ich glaube die beiden Punkte stehen nicht wirklich in einem direkten Zusammenhang, es wäre praktisch, wenn du hier nochmal etwas mehr Hintergrund geben könntest.
Der erste Punkt könnte mit einem grundsätzlichen Problem bei organischen Halbleitern im Kontakt mit Metallen bestehen: die Bänder sind energetische sehr weit auseinander, damit wird der Ladungsfluss an dieser Grenzschicht gehemmt. Man probiert deshalb mit einer Zwischenschicht für einen weicheren Übergang zu sorgen.
Der zweite Punkt wiederrum klingt nach dem Prinzip eines auf Totalreflexion basierenden Lichtleiters. Wenn man ein optisch dünneres Material (niedrigerer Brechungsindex) als Mantel benutzt, kommt es aufgrund der Totalreflexion zu einem sehr hohen Wirkungsgrad des Lichttransports. Dies hat allerdings meines Erachtens nichts mehr mit dem Silber zu tun und betrifft auch einen anderen Bereich des Halbleiterlasers.
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Re: Fragen bzgl. Lasern - Bitte um Beantwortung! :)

Beitragvon Darya » Mi 13 Mai, 2015 12:15 pm

Vielen lieben Dank für deine Hilfe, Offenbarungsjoe! :)
Das ist total nett von euch, wie sehr ihr euch bemüht!!
Vielen, vielen Dank.
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