Laser VL 3+4.txt

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Author:
JanSch
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208239
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Laser VL 3+4.txt
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2013-03-19 07:16:53
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  1. Welche Arten der Reflexion gibt es?
  2. Was besagt das Brechungsgesetz nach Snellius?
    • Lichtstrahl wird an Grenze zweier unterscheidlicher durchsichtiger Materialien gebrochen
    • beim Übergang in ein optisch dichteres Medium zum Lot hin gebrochen
    • beim Übergang vom optisch dichteren Medium ins optisch dünnere Medium vom Lot weg gebrochen
  3. Was ist die Ursache des Snellius'schen Brechunggesetzes und wie lautet die Formel?
    Wo liegen die unterscheidlichen Winkel?
    • Unterschiedliche Geschwindigkeiten des Lichtes in Medien ist Ursache
  4. Was ist eine Linse?
    • optisch wirksames Element mit zwei lichtbrechenden Flächen, von denen mindestens eine konkav oder konvex ist
    • wichtigste Größe ist Brennweite
  5. Was ist die Apertur?
    freie, meist kreisförmige, nutzbare Fläche (Öffnung) einer Linse
  6. Was sind sphärische Linsen?
    • Linsenseiten sind sphärisch, d.h. sie sind Oberflächenausschnitte einer Kugel
    • es lassen sich Krümmungsradien zuordnen
  7. Wie kann man feststellen, ob eine Linse eine Sammel- oder eine Zerstreuungslinse ist?
    Welchen weiteren Typen gibt es?
    • Sammellinsen oder konvexe Linsen sind in der Linsenmitte (an der optischen Achse) dicker als am Linsenrand
    • Zerstreuungslinsen oder konkave Linsen sind in der Linsenmitte dünner als am Linsenrand

    weiterer Typ: Meniskus - überall gleiche Dicke
  8. Wie verhält sich eine Sammellinse, wenn sie auf der Einfallsseite mt einem parallelem Lichtstrahl bestrahlt wird?
    • Sie bündelt die Strahlen hinter der Linse im Fokus oder Brennpunkt
  9. Wie verhält sich eine Zerstreuunglinse, wenn sie auf der Einfallsseite mt einem parallelem Lichtstrahl bestrahlt wird?
    • ein Bündel von parallen Einfallsstrahlen läuft scheinbar von einem Punkt auf der Einfallseite des Lichtes auseinander
  10. Wie berechnet man den Abbildungsmaßstad einer Linse?
  11. Wie lautet die Abbildungsgleichung?
    Wann darf sie Verwendet werden?
    • Bei dünnen Linsen anwendbar
  12. Was ist die Chromatische Aberration?
    • Farbfehler
    • Brechung ist wellenlängen-abhängig
    • Fokus von rotem Licht näher an Linse als der von blauem Licht
  13. Spiegel lassen sich auch als Linsen nutzen. Wie verlaufen hier die Strahlen? Benenne auch g, b, f usw.!
  14. Welche Wellenlängenbereiche können Lichtleiter transportieren?
    • sichtbares Licht und Licht nahe dem sichtbaren Bereich
    • ca. 400-1800nm
    • andere Wellenlängen werden absorbiert und zerstören den Lichtleiter
  15. Wie ist ein Lichtleiter normalerweise aufgebaut?
    • drei konzentrische Zylinder:
    • Kern
    • optische Mantel
    • Außenmantel (Kunststoff etc.)
  16. Welche Aufgaben erfüllt der Außenmantel eines Lichtleiters?
    • Schutz des Kerns und des optischen Mantels
    • absorbiert den Teil der Strahlung, der aus Kern durch optischen Mantel dringen konnte
  17. Wie erfolgt die Lichtleitung im Lichtleiter?
    Was ist bzgl. der Brechungsindizes von Kern und Mantel zu erwähnen?
    Wann wird ein Lichtstrahl weitergeleitet?
    • Einkopplung auf einer Seite der Faser in Kern
    • Großteil fällt unter bestimmten Winkeln ein
    • Dieser Teile trifft früher oder später auf Grenzfläche Kern-Mantel
    • Reflexion an Grenzfläche in Richtung Kern
    • Brechzahl des Kernmaterials ist immer größer als die des Mantels
    • Lichtstrahl wird weitergeleitet wenn Einkoppelwinkel kleiner als Akzeptanzwinkel des Leiters
  18. Was ist die Numerische Apertur?
    Der Sinus des halben Akzeptanzwinkels eines Lichtwellenleiters
  19. Wodurch werden die optischen Eigenschaften eines Lichtwellenleiters bestimmt und in welcher Weise lassen sie sich ändern?
    • Materialien und Abmessungen bestimmen Eigenschaften
    • große Brechzahldifferenz bedeutet geoße NA und somit eine leichtere Einkopplung
    • größere Durchmesser und große NA lassen viele Moden durch => Multimode-LWL
    • bei kleinerem Durchmesser, aber gleicher Brechzahldifferenz zw. Kern- und Mantelmaterial werden immer weniger Moden geführt, bis nur noch Grundmode angeregt wird => Monomode-LWL
  20. Was passiert wenn man einen TEM00 in einen Multimode-LWL einkoppelt?
    • viele Moden werden angeregt und die ursprüngliche rein Gauß'sche Verteilung wird zerstört
    • inhomogene Intensitätsverteilung am Ausgang
    • kohärente Eigenschaft des Strahls verschlechtert
  21. Welche unterschiedlichen Fasertypen werden für Lichtwellenleiter genutzt?
    • Stufenindexfaser
    • Gradientenindexfaser
  22. Was ist eine Stufenindexfaser?
    • besteht aus homogenen Faserkern mit konst. Brechungsindex
    • Strahlleitung durch verlustfreie Totalreflexion an der Granzschicht zw. Kern und Mantel
  23. Was ist eine Gradientenindexfaser?
    • kontinuierliche Abnahme des Brechungsindexes vom Faserzentrum zum Mantel hin
    • Strahlen werden kontinuierlich zum Fasermittelpunkt hin gebrochen
    • Strahlqualität ändert sich mit derartigen Fasern nicht
  24. Welche weitere Schicht wird an einem LWL außer Mantel und Kern angebracht?
    Metallische Netze in der Ummantelung, die bei Faserbruch durch Widerstandsänderung ein wichtiges Sicherheitselement darstellen
  25. Welche Verbesserungsmöglichkeiten gibt es bei Lichtwellenleitern noch?
    • Probleme bei der Einkopplung
    • Verschlechterung der Stahlqualität bei homogenen Fasern
    • Bruch bei zu starker Krümmung
  26. Was ist die Geometrische Optik?
    • Modellvorstellung:
    • geht von Parallelstrahlen aus
    • beim Fokussieren schneiden sich Strahlen in genau einem Punkt
    • Brennpunkt unendlich klein
  27. Was ist die Gauß'sche Optik?
    • Beschreibt Strahl als Gauß-Strahl
    • D.h. Laserstrahl konvergiert: Er verjüngt sich bis geringster Durchmesser erreicht (Strahltaille), dort verlaufen Strahlen parallel
    • Danach wieder Aufweitung bis er im Fernfeld konst. Öffnungswinkel hat
  28. Wovon hängt der Öffnungswinkel beim Gauß-Strahl ab?
    • Strahlqualität und Durchmesser der Strahltaille
    • Je höher Strahlqualität und je größer die Strahltaille, desto geringer die Divergenz
  29. Wie sieht ein gebündelter Gauß-Strahl und wie ein gebündelter Strahl nach der geometrischen Optik?
  30. Welche Angaben braucht man zur Berechnung der Strahltaille?
    • Strahlleistung
    • Wellenlänge
    • Strahlqualität
    • Modenstruktur
  31. In welchem Zusammenhang stehen Öffnungswinkel, Strahlqualität und Fokusdurchmesser?
    Nenne auch die Formel!
    • Strahlqualität beeinflusst kleinsten möglichen Strahldurchmesser und Rayleigh-Länge
    • je besser Strahlqualität desto kleinere Fokusdurchmesser möglich und desteo größere Rayleigh-Länge
  32. Was dient beim CO2-Laser zur Kennzeichnung der Strahlqualität und wie wird dieser Parameter bestimmt?
    Auch Formel!
    • Strahlkennzahl K
    • Ermittelt durch Messung des Brennfleckdurchmessers df und des auf das Fokussierelement wirksamen Rohstrahldurchmessers D
  33. Wie wird die Strahlqualität bzw. Fokussierbarkeit bei Nd:YAG Lasern bestimmt?
    Auch Formel!
    • über Strahlparameterprodukt SPP
  34. Wie bestimmt man das SPP bei Stufenindexlichtleitfasern (Formel)?
    • Kernquerschniff df
    • NA Numerische Apertur
    • n1 = optisch dichteres Kernmaterial
  35. Was ist die Beugungmaßzahl?
    • gibt an wievielfach der Strahl beugungsbegrenzt ist
    • Gauß'Strahl M2=1
    • typischer Wert für Single-Mode-Laser M²=1,1
  36. Welche Arten von Optiken unterscheidet man? Wonach sind diese auszuwählen?
    • transmissive Optiken (Linsen)
    • reflektive Optiken (Spiegel)
    • je nach Verwendeter Strahlquelle muss Optikmaterial gewählt werden
  37. Welche Linsenmaterialien werden bei CO2-Lasern verwendet?
    • Zinkselenid (ZnSe, ist auch für das rote Licht des HeNe-Justierlasers transparent)
    • Galliumarsenid (GaAs, hat bessere thermische Eigenschaften)
  38. Welche Linsenmaterialien verwendet man bei Excimer- und Nd:YAG Lasern?
    Quarz- und Glasoptiken mit dielektrischen oder auch metallischen Schichten verwendet
  39. Wie ist beispielhaft eine Transmissive und wie eine Reflexive Optik aufgebaut?
  40. Was ist die Bildweite?
    • Abstand zw. Linsenmitte und Fokus
    • Näherungsweise Brennweite
  41. Was ist die Rayleigh-Länge?
    Auch Formel!
    • Gibt an in welchem Abstand zum Fokus sich die Strahlquerschnittsfläche verdoppelt hat
  42. Was ist die Brennweite?
    Gibt Abstand zw. Linsenmitte und dem Brennpunkt eines idealen Parallelstrahls an
  43. Was ist die Schäfentiefe?
    • Bereich in Nähe des Brennflecks, in dem sich die Querschnittsfläche des Strahlbündels gegenüber der Querschnittsfläche im Brennfleck auf das doppelte vergrößert
    • Doppelte Rayleigh-Länge
  44. Was wird gemacht, wenn die Divergenz des Rohstrahl zu groß ist für die gewünschte Fokussierung?
    zunächst Aufweitung und anschließende Fokussierung
  45. Wodurch kann ein Strahl aufgeweitet werden? Welche Arten der Realisierung kennst du?
    • Teleskop

  46. Welche grundsätzlichen Stationen durchläuft ein Laserstahl auf dem Weg zum Werkstk?
    • Strahlquelle
    • Führen und Formen
    • Fokussieren
  47. Welche Strahltransportsysteme kennst du?
    • Direkte- oder Spiegel-Kopplung
    • Lichtleiter (2D oder 3D)
  48. Nenne Vor- und Nachteile der Direkten- bzw. Spiegelkopplung!
    • Vorteile:
    • Strahl kann in Grenzen unabhängig vom Laser geleitet werden
    • Unabhängig von Wellenlänge und Leistung
    • Nachteile:
    • Laser muss nahe am Prozessort stehen
    • Unhandlich, da feste Armlängen
    • Begrenzung der Umlenkung durch die Mechanik
  49. Nenne typische Anwendung der 2D-Spiegeltechnik!
    Nenne wichtige Konstruktionsbedingungen!
    • Flachbettbearbeitung von Blechen
    • Laser mit fliegender Optik in X-, Y- und Z-Richtung bewegt
    • aufwendige Strahlführungen
    • hohe Anforderungen an Präzision
    • schon geringe Abweichung führen zu Ausschuss
  50. Womit ist eine 3D-Spiegeloptik möglich?
    • spezielle Bearbeitungsköpfe
    • hohe Anforderungen an Konstruktion
    • Spiegelgelenkarm
    • Scanner-Optiken: Spiegelsystem wird über Galvanoscanner schnell bewegt
  51. Durch welche Spiegeloptik kann ein rechteckiger Strahl angenähert werden?
    • Polygonspiegel
    • Vielkantiges Prisma
    • Durch schnelle Rotation quasi rechteckiger Strahl
  52. Nenne Vor- und Nachteile von Lichtleitern!
    • Vorteile:
    • Extrem flexibel, nur begrenz durch minimalen Biegeradius
    • Nachteile:
    • nur eingeschränkter Wellenlängenbereich
    • Leistungsbegrenzung durch Absorption an Unreinheiten
    • Kollimation geht verloren, bei Multimode-LWL Zerstörung des Modenprofils
  53. Welche Laserarten kennst du?
    • Gaslaser
    • Festkörper-Laser
    • Halbleiter-/ Diodenlaser
  54. Nenne die wichtigsten Gaslaser!
    • CO2-Laser
    • Helium-Neon-Laser
  55. Warum ist die Verlustleistung bei Gaslasern so groß?
    • es entsteht sehr viel Wärme die abgeführt werden muss
    • insbesondere Ionenlaser haben hohen Energieverbrauch, da zunächst Ionisierung erfolgen muss
  56. Was sind Gaslaser? Wie werden sie gepumpt?
    • Gaslaser lassen sich durch elektrische Gasentladung innerhalb des Mediums pumpen
    • Beschleunigte Ionen und Elektronen führen Stöße mit den laseraktiven Atomen aus und übertragen so einen Teil ihrer kinetischen Energie.
  57. Der CO2-Laser
    Nenne...
    Hauptanwendungsgebiete
    Wellenlängenbereich
    Strahlqualitäten (M2 und K-Faktor)
    Betriebsarten
    Anregungsarten
    • Schneiden und Schweißen
    • Wellenlänge des CO2- Laserstrahls liegt im fernen Infrarot und beträgt 10,6 μm
    • großer Leistungsbereich, von unter 10 Watt bis über 20.000 Watt
    • hohe Strahlqualitäten, M² von 1,1 bis 5,0 (K-Werte von 0,9 bis 0,2; Strahlparameterprodukt von 4 bis 17 mm mrad)
    • Dauerstrichbetrieb oder gepulst
    • mit Gleichspannung oder mit hochfrequenter Wechselspannung
  58. Aus welchen Gasen setzt sich das laseraktive Medium im CO2-Laser zusammen und zu welchen Anteilen?
    • CO2: 5,5%
    • N2: 29%
    • He: 65,5%
  59. Erkläre die Vorgänge im laseraktiven Medium beim Anregen eines CO2-Lasers!
    • Durch angelegte Gleichspannung oder hochfrequente Wechselspannung entstehen im Gasgemisch Elektronen, die die Stickstoff-Moleküle anregen
    • Diese geben über Stöße Energie an das CO2 ab
    • CO2 hat 4 Energieniveaus, die durch Schwingen angeregt werden können
    • Durch die Stöße wird das CO2 auf das höchste Niveau angeregt
    • Beim Übergang in ein tieferes Laserniveau geben die CO2-Moleküle die Laserstrahlung ab
    • Von dort gehen sie in den Grundzustand über, indem sie über Stöße mit den Heliumatomen Energie abgeben
    • Helium dient also zur schnellen Entleerung des Zwischenenergieniveaus des CO2
  60. Wie sehen die Vorgänge im laseraktiven Medium des CO2-Lasers im Termschema aus?
  61. Was ist zum Resonator des CO2-Lasers zu sagen? Wie wirkt sich der Aufbau des Resonators aus?
    • Resonator ist ein Hohlraum, in dem sich das Gas befindet z.B. Rohr
    • Je größer Volumen, desto höhere Laserleistungen lassen sich erzeugen
    • Form von Resonator und Spiegel bestimmem welche Moden angeregt werden
  62. Warum muss der CO2-Laser gekühlt werden und auf welchem Wege kann gekühlt werden?
    • beim Betrieb starke Erwärmung
    • Laserprozess stoppt bei 200 bis 300°C
    • Gas fortlaufend umwälzen und außerhalb des Entladungsraumes kühlen oder über Diffusion kühlen
  63. Zeige in einer Prinzipskizze den Aufbau eines längsgeströmten CO2-Lasers!
    Wie wird Leisung erhöht?
    • Gas in Rohren aus Quarzglas, die Entladungsstrecxke bilden
    • Außen an den Rohren sind Elektroden, die berührungslos Anregungsenergie einkoppeln
    • Für hohe Laserleistungen muss Entladungsstrecke mehrere Meter lang sein
  64. Wie wird dem Problem der Länge eines Hochleistung CO2-Lasers begegnet (mehrere Möglichkeiten)?
    • Faltung der Entladungsstrecke
    • quadratische Anordnung (Umlenkspiegel reflektieren Strahl an den Ecken des Quadrats und verbinden Entladungsstrecken optisch)
  65. Welche Bauformen des CO2-Lasers neben dem geströmten kennst du noch?
    • CO2-SLAB-Laser
    • CO2-Koaxial-Laser
  66. Was ist ein SLAB-Laser?
    • aktives Medium in sehr schmalen Spalt zw. zwei gut verspiegelten, wassergekühlten Kupferplatten, die als HF-Elektroden aufgebaut sind und als Wellenleiter-Resonatoren dienen
    • Kühlung über Diffusionskühlung (sehr effektive Wärmeübertragung)
    • Abstand zw. Platten so gering, dass Gasatome wegen ihrer freien Weglänge häufig mt der Wand zusammenstoßen
  67. Wie ist der CO2-Koaxial-Laser aufgebaut?
    • Resonator besteht aus zwei ineinanderliegenden Metallrohren
    • Rohre sind wassergekühlt
    • Raum zw. den Rohren ist Entladungsstrecke
    • Rohrwände dienen als Hochfrequenz-Elektoden und Kühlelemente zugleich
  68. Wie verlaufen die Strahlen innerhalb des CO2-Koaxiallasers und wie kommt dieser Strahlengang zustande?
    • Am einen Ende des Resonators befindet sich Axiconspiegel (ringförmige Spiegelfläche mit um 45° geneigten Rand) => Strahl trifft auf eine Seite des Axicon-Spiegels, wird aus gegenüberliegende Seite des Rings reflektiert und gelangt wieder in Rohrzwischenraum
    • Am anderen Ende befindet sich ringförm. Helix-Spiegel (Spiegelfläche hat Steigung) => Reflexion unter größerem Winkel => zickzack-förmiger Verlauf des Strahls
    • => stabiles Strahlungsfeld im Resonator
    • Helixspiegel besitzt Öffnung, durch die ausgekoppelt wird
  69. Wie setzt sich das laseraktive Medium des Helium-Neon-Lasers zusammen?
    Helium und Neon im Verhältnis 5:1 bis 10:1
  70. Nenne das Anwendungsgebiet von Helium-Neon-Lasern!
    Aufgrund welcher Eigenschaft hierfür geeignet?
    • kommerzielle (meist 1...10mW) in Messtechnik und Holografie eingesetzt
    • gute Kohärenz hierfür vorteilhaft
    • für Forschungszwecke Kohärenzlängen von mehr als 1000km möglich
  71. Erkläre die Vorgänge im Gasgemisch beim Helium-Neon-Laser!
    • Helium wird durch Elektronenstöße in metastabile Niveaus angeregt
    • Stöße des Heliums mit den Neon-Atomen überträgt Energie auf Neonatome, die enge benachbarte Energieniveaus besitzen (resonate Stoßprozesse => effizienter Energietransport)
    • angeregte Neon-Atome geben Laserstrahlung beim Übergang in niedrigere Energieniveaus ab
    • Unteres metastabiles Energieniveau des Neons kann nicht durch strahlende Zerfälle entleert werden => enges Rohr ermöglicht über Wandstöße ausreichende Entleerung
  72. Zeige die Vorgänge im aktiven Medium des Helium-Neon-Lasers im Termschema!
  73. Wie ist ein Helium-Neon-Laser aufgebaut (Prinzipskizze)?
  74. Wie lassen sich Festkörperlaser unterteilen?
    • Stablaser
    • Scheibenlaser
    • Faserlaser
  75. Worin entsteht das Laserlicht im Festkörperlaser?
    Was wird hauptsächlich als aktive Materialien verwendet?
    • in fluoreszierenden Fremdionen, die in geringen Mengen in einen Wirtskristall oder in Gläser eingebunden sind
    • In Strahlquellen für die industrielle Materialbearbeitung vor allem Neodym (Nd) und Ytterbium (Yb) zum Dotieren
  76. Nenne Wellenlängen von Ytterbium- und Neodym-Lasern!
    • Ytterbium: 1.030 nm
    • Neodym: 1.064 nm
  77. Nenne die wichtigsten Eigenschaften des Laserlichts aus Festkörper-Lasern!
    • Kurze Grundwellenlängen von etwa 1.000 nm (NIR)
    • Grundwellenlänge veränderbar: Es gibt auch grüne und ultraviolette Laser
    • gepulste Festkörperlaser und CW-Laser, die im Dauerstrichbetrieb und im P ulsbetrieb arbeiten
    • Festkörperlaser decken großes Leistungsspektrum ab => CW-Laser: einige Kilowatt. Pulslaser erzeugen Pulse von bis zu einigen 100 Kilowatt
    • Strahlqualität variiert stark von Lasertyp zu Lasertyp. Sie reicht von mittel bis sehr hoch: M2 von 1,2 bis 74 (K-Werte von 0,8 bis 0,01; Strahlparameterprodukt von 0,4 bis 25 mm mrad).
  78. Was war der erste Laser für ein Laser?
    Nenne Besonderheiten!
    • Rubin-Stablaser
    • künstlich hergestellt wegen besonderer Dotierung
    • hohe Anforderung an Oberfläche der Enden (Rauhigkeit unterhalb der halben Laserwellenlänge)
  79. Auf welchem Wege werden Festkörperlaser gepumpt?
    • Lampen
    • Blitzlampen
    • Dioden / Diodenlasern
  80. Warum werden manchmal Laser zum Pumpen bevorzugt?
    • Da Blitzlampen das volle Spektrum liefern
    • Laser steigern Leistungsbilanz
  81. Wie wird das Pumplicht in den Kristall eines Festkörperlasers geleitet?
    • durch spezielle doppelelliptische Spiegel
  82. Erkläre die Vorgänge im laseraktiven Medium beim Nd:YAG-laser!
    • 4Energieniveaus
    • Mit Pumplicht werden Elektronen der Nd-Ionen in hohes Energieniveau angeregt
    • gehen sehr schnell in das obere Laserniveau über. Dabei geben sie Energie in Form von Wärme an den Wirtskristall ab
    • Anschließend Laserübergang in das untere Laserniveau, bei dem Laserlicht mit 1.064 nm Wellenlänge entsteht
    • Vom unteren Laserniveau gelangen die Elektronen in den Grundzustand zurück und eben Wärme ab
  83. Was ist die Besonderheit bzgl. des unteren Laserniveaus des Nd:YAG Lasers?
    Welche vorteilhafte Eigenschaft ergibt sich hierraus?
    Beim Neodym-Ion liegt das untere Laserniveau deutlich über dem Grundzustand. Deshalb ist es im Grundzustand des Kristalls nicht besetzt. Vorteil: Die Besetzungsinversion lässt sich leicht erreichen.
  84. Wie sieht das Termschema des Nd:YAG Lasers aus?
  85. Welche Leistungsverlustarten sind beim Nd:YAG Laser zu verzeichnen?
    Wie viel % gehen tatsächlich in die Laserstrahlung über?
    • Thermische Verluste
    • Absorption von Wärme
    • Optische Verlsute
  86. Warum verwendet man als Pumpquellen Diodenlaser?
    Wie sieht ein entsprechender Laser aus (Skizze)?
    • Die diodengepumpten Nd:YAG-Laser besitzen einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere Strahlqualität als die mit Lampen gepumpten Typen
  87. Welcher besondere Effekt ist bei der Resonatorkonstruktion eines Festkörperlasers zu beachten?
    Effekt der thermischen Linse
  88. Was ist eine thermische Linse?
    • Aufgrund Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex im Lasermedium bildet sich eine Linsenwirkung aus.
    • Laserstab nur an Außenflächen gekühlt => im Inneren Temperaturgradienten zu den Rändern hin
    • parabolisches Temperaturprofil
    • => Der warme Laserstab wirkt als Fokussierlinse
  89. Wie kann die Leistung eines Festkörper-Stablasers gesteigert werden?
    • Hintereinanderschalten mehrerer Lasermodule
  90. Was ist eine Scheibenlaser?
    Herzstück?
    kleine, hauchdünne Kristallscheibe aus Yb:YAG als Herzstück => Sie reflektiert den Laserstrahl und das Pumplicht
  91. Wie ist ein Scheibenlaser aufgebaut?
    • mehrere Parabolspiegel bündeln reflektierten Pumpstrahl wieder auf die Scheibe, die sich in der Mitte des Scheibenlasers befindet
    • Scheibenhinterseite verspiegelt und gekühlt
  92. Wie verläuft der Pumpstrahl im Scheibenlaser?
    • Zunächst trifft der Pumpstrahl Parabolspiegel, der ihn auf Scheibe bündelt
    • durchläuft die Scheibe, wird an verspiegelter Rückseite reflektiert, durchläuft Scheibe erneut und tritt aus
    • trifft nun erneut auf den Parabolspiegel. Dieser bündelt ihn und lenkt ihn auf ein Umlenkspiegelpaar, welches ihn ein Stück versetzt wieder auf den Parabolspiegel lenkt
    • wieder in Scheibe usw.
    • nach 2 weiteren Umlenkspiegelpaaren und 8 Durchläufen durch Scheibe trifft Pumpstrahl auf Rückspiegel, der ihn gesamten weg rückwärts laufen lässt
    • Pumpstrahlung fast vollständig absorbiert
    • => Laserstrahl breitet sich senkrecht zur Scheibenfläche aus und verlässt Kavität durch Bohrung in der Mitte des Parabolspiegels
  93. Wodurch zeichnet sich der Laserstrahl des Scheibenlasers aus?
    Warum ist dies der Fall?
    • Strahlqualität sehr viel höher als die eines Stablasers und leistungsunabhängig
    • in der Scheibe bildet sich nahezu keine thermische Linse, die den Laserstrahl verformt
    • Zwischen Ober- und Unterseite der Scheibe besteht zwar auch Temperaturunterschied. Der verläuft jedoch axial in Richtung des Laserstrahls und nicht radial, wie beim Stab => optischer Weg für alle Photonen gleich, und Strahl wird nicht deformiert
  94. Wie kann man beim Scheibenlaser die Leistung steigern?
    Wie sieht dies aus (Skizze)?
    • Hintereinanderschalten mehrerer Scheibenlaser
  95. Was ist ein Faserlaser?
    • sehr langer und dünner Stablaser
    • spezielle Art des diodengepumpten Festkörperlasers
    • Lasermedium ist dotierte Lichtleitfaser
    • Die Faser stellt einen optischen Wellenleiter dar, in dem sich Pumplicht und erzeugte Laserstrahlung als geführte Wellen ausbreiten
  96. Welches Problem typischer Festkörperlaser wird mit dem Faserlaser umgangen?
    thermische Problematik
  97. Woraus besteht der Kern eines Faserlasers?
    • Silizium-, Phosphat- bzw. Fluoridglas mit sehr geringer Dämpfung (< 3dB/km), so dass sich das Pumplicht hierin ausbreiten kann bis es vollständig absorbiert wurde
    • Kern mit Selternerdionen dotiert (Er) (Nd) (Yb) => erst dann laseraktiv
  98. Wie ist der Faserlaser aufgebaut?
    • Doppelkernfasern: um eigentlichen laseraktiven Kern herum noch einen zweiten Kern für das Pumplicht
    • Pumplichtkern
    • Ummantelung dient als Mantel für den Pumpkern und muss einen entsprechend niedrigeren Brechungsindex aufweisen
  99. Wofür ist ein großer Pumplichtkern sinnvoll?
    großer Pumplichtkern ermöglicht, dass sich auch höhere Moden ausbreiten können => möglich Strahlung von Hochleistungslaserdioden in die Faser einzukoppeln
  100. Welche Eigenart haben Diodenlaser gegenüber den anderen Arten?
    der elektrische Strom dient direkt zur Erzeugung der Besetzungsinversion
  101. Auf welchem Wirkprinzip funktionieren Diodenlaser?
    • Wirkprinzip der Elektroluminiszenz
    • an einen leitenden Festkörper eine Spannung angelegt und dieser von einem Strom durchflossen
    • Im Gegensatz zum thermischen Strahler speichert der elektroluminiszierende Festkörper die aufgenommene Energie nicht nur in Form von Gitterschwingungen, sondern auch in Form von elektronischer Anregung
    • => Emission monochromatischen Lichtes
  102. Was sind die Elektrolumineszens-Strahlquellen?
    Welches sind die wichtigsten?
    • Halbleiter
    • III-V-Halbleiter
  103. Was sind III-V-Halbleiter?
    Wie werden die Halbleiter verändert?
    Festkörper, der aus den Elementender dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems gebildet wurde, wiez.B. GaAs, InP oder deren Mischkristalle. Ein reiner III-V Halbleiter ist bei Raumtemperatur jedoch kaum elektrisch leitfähig. Erst durch geringfügigen Zusatz von Elementen differenter Elektronenkonfiguartion (Dotierung), z.B. den Elementen der vierten Hauptgruppe (C, Si, oder Ge) nimmt die elektrische Leitfähigkeit drastisch zu
  104. Wie ist ein Halbleiterkristall aufgebaut?
    Welche Eigenschaften weist er bei Energiezufuhr auf?
    • regelmäßiges Gitter
    • Jedes Atom besitzt vier Elektronen in deräußeren Schale, die mit jeweils einem Elektron des Nachbar-Atoms eine Elektronenpaarbindung eingehen
    • Durch die Zuführung von Energie löst sich ein Elektron aus der festen Verbindung und hinterläßt ein Loch. Das Elektron und das Loch würden dann zum Ladungstransport zur Verfügung stehen.
  105. Was ist p-Dotieren?
    Welche Stoffe werden hier zum Dotieren eingesetzt?
    • in das Silizium-Gitter wird an die Stelle des Silizium-Atoms ein dreiwertiges Fremdatom eingesetzt. Es eignen sich Atome wie Gallium, Aluminium oder Indium.
    • Beim Ladungstransport spring jeweils ein Nachbarelektron in das Loch usw. => das Loch wandert
  106. Was ist n-Dotieren?
    Welche Stoffe werden hier zum Dotieren eingesetzt?
    • in den Halbleiter wird ein fünf-wertiges Atom eingebaut. Der n-dotierte Halbleiter besitzt dann pro Fremdatom ein Elektron zuviel.
    • Als Fremdatome werden hauptsächlich Arsen oder Phosphor verwendet
  107. Wie nennt man Fremdatome die zum n-Dotieren und wie nennt man welche, die zum p-Dotieren genutzt werden?
    • n-Dotieren: Donatoren
    • p-Dotieren: Akzeptoren
  108. Wie ist ein Diodenlaser aufgebaut und welche Vorgänge finden in ihm statt?
    • p-dotierte Halbleiterschicht wird mit n-dotierter zusammengebracht
    • durch elektrischen Strom werden Elektronen in die n-Schicht injiziert => diffundieren durch n-Schicht hindurch, wechseln im pn-Übergangsbereich unter Strahlungsemission vom Leitungsband in das Valenzband (andere Bezeichnung für die beiden Laserniveaus) und werden über den Kontakt an der p-Schicht wieder„abgesaugt"
  109. Wie werden Diodenlaser angeregt?
    Was wird hierdurch möglich?
    • durch kleine Gleichströme - bei cw - Betrieb oder durch Stromimpulse angeregt
    • direkte Anregung über relativ kleine elektrische Spannungen und Ströme, macht es möglich, Diodenlaser mit konventionellen Transistorschaltungen zu versorgen
  110. Was ist die Schwellenstromstärke?
    oberhalb der Schwellenstromstärke arbeitet die Diode kohärent, also als Laser. Unterhalb dieser Schwelle verhält sich die Laserdiode wie eine normale Leuchtdiode
  111. Wovon hängt beim Diodenläser die Wellenlänge ab?
    Diodenlaser haben dem Bandabstand entsprechende Wellenlänge; die Strahlungsfrequenz ist also direkt vom Halbleitermaterial abhängig.
  112. Welchen Nachteil haben Diodenlaser?
    • Diodenlaser erreichen infolge des sehr kleinen Reonators nur eine mäßige Strahlqualität (große Linienbreite und Divergenz)
    • geringe Ausgangsleistung
    • Emissionswellenlänge eines Diodenlasers ist großen Fertigungstoleranz unterworfen und kann bis zu ±5% betragen
    • hoher Temperaturkoeffizient der Emissionswellenlänge von ca. 0,07 nm/°C
  113. Wie wird die Leistung von Diodenlasern gesteigert?
    • Laserbarren statt einzelner Laser eingesetzt
    • Laserbarren besteht typischerweise aus 10-20 einzelnen Diodenlasern. Barren werden wiederum, vertikal übereinander angebracht, zu Laserdiodenstacks zusammengefasst
  114. Welche Form hat der emittierte Strahl eines Diodenlaserbarrens und wie wird er verändert?
    • Nach Kollimation streifenförmiger Strahl
    • Aufteilen und Umordnen des Strahl führt zu höherer Homogenität und Symmetrie
    • Verkleinerung der Lücken zw. Einzelstrahlen durch Positionierung der Mikrolinsen, wenn Stacks aus mehreren Barren zusammengesetzt werden
    • Durch zweite Zylinderlinse können die Divergenzwinkel des Gesamtstrahls aneinander angeglichen werden
  115. Was muss mit zunehmender Anzahl an Diodenlasern bei der Leistungssteigerung beachtet werden?
    • Ansprüche an Kühlung, Montagetechnik und Strahlformung nehmen zu
    • Große Temperaturunterschiede zwischen Diodenlaserbarren und Kühlkörper verursachen thermomechanische Spannungen => Loslösen der Laser vom Kühlkörper
  116. Wofür werden Diodenläser hauptsächlich eingesetzt? Warum?
    • Diodenlaserstacks im kW-Bereich werden bislang hauptsächlich als Pumpmodule für Festkörperlaser eingesetzt. Für Direktanwendungen ist in der Regel die Strahlqualität nicht hoch genug. Es werden keine ausreichend kleinen Fokusabmessungen bzw. ausreichend große Intensitäten erreicht.
    • Im Einsatz im medizinischen Bereich sind kleine Abmessungen vorteilhaft
  117. In welchen Betriebsarten werden Laser genutzt?
    • kontinuierlicher Betrieb => CW-Betrieb (=continuous wave)
    • gepulster Betrieb
  118. Was ist der CV-Betrieb?
    Welche Leistung möglich?
    Welche Voraussetzung besteht?
    • andauernde Abgabe von Laserstrahlung
    • Leistungen bis 25kW
    • Pumpprozess muss ebensoschnell angeregte Atome erzeugen wie diese durch Laseraktivität wieder abgeregt werden
    • Maximale Leistung durch Pumpvorgang begrenzt
  119. Was ist der Puls-Betrieb?
    • Abgabe der Laserenergie in Pulssequenzen mit hoher Spitzenleistung
    • Energiezunächst im System gespeichert und dann in einem definierten Zeitfenster abgegeben
  120. Welche Arten des Pulsbetriebes werden unterschieden?
    • Gepulster CW – Betrieb
    • Pulsbetrieb mit Blitzanregung
    • Q – Switching
    • Mode – Locking
  121. Was ist eine Güteschaltung?
    • Q-Switching
    • Technisches Prinzip zur Verkürzung der Pulse von Impulslasern bei gleichzeitiger Erhöhung der Laserleistung während des Impulses

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