Laser VL 1+2.txt

Card Set Information

Author:
Banjey
ID:
306316
Filename:
Laser VL 1+2.txt
Updated:
2015-08-12 07:15:06
Tags:
VL
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VL 1+2
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  1. Welcher Wellenlängenberich grenzt das Licht ab?
    400nm - 750nm
  2. Nenne etwa die Wellenlängen der Farben Blau, Gelb, Rot, Grün!
  3. Betrachte Licht als Welle! Wie ist diese Welle aufgebaut?
    • elektromagnetische Welle
    • besteht aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld, die senkrecht zueinander und in Phase schwingen
  4. Erkläre Licht als Teilchenvorstellung!
    • „Strahlen“ als geradlinige Bahnen von Lichtteilchen oder Photonen
    • Lichtstrahl ist ein Ort mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit einer großen Ansammlung von Photonen
  5. Wie lässt sich die Energie eines Photons berechnen?
    • Ep = h · f
    • h = Planck‘sches Wirkungsquantum 6,63·10-34 [Ws2] = [Js]
  6. Wie berechnet man die Masse von Photonen?
    Was ist hierzu zu erwähnen?
    • Ep = h·f & Ep = mp · c2
    • =>
    • Photonen besitzen nur Masse, weil sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Photonen haben keine Ruhemasse.
  7. Erkläre das Bohr'sche Atommodell!
    • um positiv geladenen Kern rotieren Elektronen auf bestimmten Bahnen
    • Gleichgewicht zwischen Zentrifugalkraft und elektrostatischer Anziehungskraft durchgegensätzlich geladenen Kern
    • Bahnen stellen Ort höchster Aufenthaltswahrscheinlichkeit dar
    • Je weiter entfernt vom Kern, desto höher ist Energie eines Elektrons
  8. Erkläre die Vorgänge bei Bahnübergängen von Elektronen!
    • Wird Atom Energie zugeführt (z.B.durch Stöße oder Strahlungsabsorption), sokann es diese in diskreten Beträgen –entsprechend der diskreten Elektronenbahnen– speichern
    • Zwischenzustände sind nicht möglich, man spricht von sog. Quantensprüngen
    • angeregte Energiezustände haben begrenzte Lebensdauer
  9. Erkläre die (spontane) Emission!
    • Übergang von höherem in niedrigeren Zustand
    • Energiedifferenz als elektromagnetische Strahlung ausgesandt
  10. Erkläre die Eigenschaften eines spontan emittierten Photons!
    • keine Vorzugsrichtung der Ausbreitung
    • keine Vorzugsrichtung der Polarisation
    • keine Phasenkorrelation
  11. Erkläre das Lambert-Beer'sche Gesetz!
    • Lichtintensität I nach Durchgang durch ein absorbierendes Medium
    • = Absorptionskoeffizient
  12. Erkläre lineare Absorption!
    • absorbierendes Medium hat unbesetzte Energieniveaus, sodass Energie entsprechend der Wellenlänge des Lichtes aufgenommen werden kann
    • Verdoppelung der eingestrahlten Energie=> Verdoppelung der absorbierten Energie
    • =konst
  13. Erkläre nichtlineare Absorbtion!
    • Nichtlineare Absorption wird dann möglich, wenn Photonendichte (Lichtintensität) so hoch, dass zwei Photonen nahezu gleichzeitig vom Atom absorbiert werden =>ein höher liegendes Energieniveau kann erreicht werden
    • nichtlinearer Zusammenhang zwischen eingestrahlter und absorbierter Energie
    • Relative Absorption steigt mit zunehmender Energiedichte stark an
  14. Wie erfolgt die Absorption in einem Molekül und wie in einem ganzen Festkörper?
    • zusätzliche Möglichkeiten zur Aufnahme von Energie
    • Molekül: => in Form von Schwingungs- und Rotationsenergie
    • Festkörper: => Gitterschwingungen (Aufnahme in breitem Frequenzbereich)
  15. Nenne die Wellengleichung und seine Lösung für harm. Wellen!
  16. Wofür steht LASER?
    • Light
    • Amplification by
    • Stimulated
    • Emission of
    • Radiation
  17. Was versteht man unter stimulierter Emission?
    Elektronenübergang erfolgt nicht mehr zufällig, sondern wird durch ankommendes Photon gleicher Energie wie das entstehende Photon stimuliert
  18. Welche Vorraussetzungen gibt es zur stimulierten Emission?
    • Atom bereits angeregt => mehr angeregte Elektronen als Elektronen im Grundzustand
    • einen freier Endzustand genau eine Photonenenergie unterhalb des angeregten Anfangszustandes
    • Frequenz des stimulierenden Photons muss mit einer Resonanzfrequenz des angeregten Atoms übereinstimmen
  19. Welche Gemeinsamkeiten finden sich beim auslösendem und beim emittierten Photon?
    • dieselbe Ausbreitungsrichtung
    • dieselbe Phase
    • dieselbe Polarisationsrichtung
  20. Welche Phänomene stehen mit der stimulierten Emission in Konkurrenz und wie verhindert man diese weitgehend?
    • Spontane Emission, stimulierte Emission und Absorption stehen zueinander in Konkurrenz
    • möglichst viele Elektronen ins metastabile Niveau pumpen => anregen
  21. Warum sind mehr Elektronen im angeregten Zustand als im Grundzustand anzustreben?
    Wahrscheinlichkeit für Absorption genauso hoch wie für stimulierte Emission
  22. Was bedeutet Bersetzungsinversion?
    Mehr Elektronen im angeregten Zustand als im Grundzustand
  23. Wie erzeugt man eine Besetzungsinversion?
    • durch Verwendung von Stoffen mit mind. 3 Energieniveaus unterschiedlicher Lebensdauer
    • zwischen dem oberen und dem unteren Laserniveau lässt sich Besetzungsinversion erreichen
    • zunächst anheben in höchstes Niveau, dann schnelles Absinken auf etwas niedrigeres Niveau mit langer Lebensdauer
    • => Stau auf angeregtem Niveau, da langlebig => Besetzungsinversion
  24. Wie sehen die Besetzungsdichteverteilungen im Grundzustand und im invertierten Zustand aus?
  25. Wie ist der Laser-Resonator aufgebaut?
    Erkläre die Vorgänge im Resonator!
    • Versorgungsleistung regt Atome an
    • Elektron, welches richtige Energie besitzt, fällt in Grundzustand und emittiert Photon
    • Licht wird an Spiegeln reflektiert und stimuliert weitere angeregte Elektronen zur phsensynchronen Abgabe ihrer Energie => phasenrichtige Verstärkung im Resonator
    • nicht achsparallele Strahlen werden nicht weiter verstärkt, da nicht gespiegelt
    • es bildet sich eine stehende Welle im Resonator!
  26. Nenne Eigenschaften von Laserstrahlung!
    • kohärent
    • monochromatisch
    • parallel => kollimiert => hervorragend fokussierbar!
  27. Nenne je einen Versuch, in dem sich Wellen- bzw. Teilchencharakter des Lichtes zeigt!
    • Welle: Young'scher Doppelspaltversuch
    • Teilchen: Photodiode
  28. Nenne Beispiele für Laseraktive Materialien!
    4 feste
    3 flüssige
    5 gasförm.
    • fest:
    • Rubin
    • Neodym-YAG
    • Holmium-YAG
    • Erbium-YAG
    • flüssig:
    • Rhodamin6G
    • Europium
    • Floureszein
    • gasförmig:
    • CO2
    • Argon
    • Krypton
    • Helium-Neon
    • Excimer
  29. Nenne Wellenlängenbereiche der wichtigesten Laser!
  30. Welche Faustregel gilt bzgl. der Leitung von Strahlung durch Glasfaser?
    • alle sichtbaren Laser gehen durch Glasfaser
    • bis etwa 2100nm geht auch nahes IR durch
  31. Wie lange dauert der Lidschlussreflex?
    etwa 250 ms
  32. Welche Parameter werden zur Beschreibung eines Resonators i.Allg. herangezogen?
    Nenne auch die Formel!
    • g-Parameter
  33. Wann ist ein Resonator stabil und wann instabil?
    Nenne zusätzlich g-Parameter!
    • stabil wenn ein zw. den Spiegeln hin- und herlaufender Strahl im Resonatorraum verbleibt
  34. Die Stabilität eines Resonators kann in einem Diagramm dargestellt werden. Wie sieht dieses Diagramm aus? Nenne Achsbeschriftungen, spez. Spiegelanordnungen und kennzeichne die stabilen und instabilen Bereiche!
  35. Nenne einige besondere Spiegelanordnungen und die erforderlichen Bedingungen!
    • beim symm.-konz. Resonator sind R1 und R2 gleich groß und der Fokus beider Spiegel liegt beim halben Spiegelabstand L
    • semi-konfokal: der Radius des einen Spiegels entspricht Abstand zum zweiten Spiegel
  36. Wie erfolgt die Auskopplung des Strahl aus dem Resonator?
    • Beim stabilen Resonator über teildurchlässigen Spiegel
    • Beim instabilen Resonator um Spiegel herum
  37. Wann ist ein instabiler Resonator zu bevorzugen und warum?
    • Bei hohen Leistungen, da man eine Kühlung an der Rückseite eines undurchlässigen Spiegels anbringen kann
    • Ein teildurchlässiger Spiegel hingegen kann nur über den Rand gekühlt werden
  38. Was ist die Linienbreite?
    Nenne typische Linienbreiten für Festkörper, Flüssigkeiten und Gase!
    • Die Breite, die ein Frequenzintervall auf einem Spektrum einnimmt
  39. Warum sind die Linienbreiten bei einem Laser so viel geringer, obwohl die Strahlquellen auch Festkörper, Flüssigkeiten und Gase sind?
    Der aus den Laserspiegeln bestehende Oszillator sucht sich innerhalb der Linienbreite des aktiven Materials die Frequenzen heraus, welche seinen Eigenschwingungen entsprechen. Dadurch wird die Bandbreite nochmals erheblich reduziert.
  40. Was ist das Modenspektrum des Lasers?
    • Moden: Eigenschwingungen des Laserresonators
    • Kein schwingungsfähiges System kann in allen willkürlich vorgegebenen Frequenzen hohe Amplitunden erreichen. Randbedingungen legen die möglichen Schwingungsfrequenzen fest
  41. Welche Formel ergibt sich als Bedingung für den Laserresonator hinsichtlich des Modenspektrums?
  42. Wodurch kann die Anzahl der Lasermoden beim Laser beeinflusst werden?
    • Der Frequenzabstand benachbarter Linien ist kleiner als die natürliche Linienbreite des aktiven Materials, sodass mehrere verschiedene Moden möglich sind.
    • Modenanzahl hängt von Verstärkung ab: je kleiner die Leistung desto weniger Moden => Monomode-Betrieb möglich
    • Abhängigkeit Resonatorlänge: Frequenzabstand benachbarter Moden steigt, wenn der Resonator verkürzt wird => Laserleistung sinkt mit kleinerem Abstand
    • => Hochleistungslaser meist Multimodebetrieb
  43. Was sind transversale Moden?
    Schwingungen quer zur Strahlrichtung
  44. Welche transversalen Moden werden unterscheiden?
    • Laguerre-Moden
    • Hermite-Moden
  45. Was sind Laguerre-Moden?
    Wie sehen sie aus? Welche Parameter beschreiben Aussehen?
    • Im Falle einer radialsymmetrischen beugenden Öffnung/Spiegel ergeben sich entsprechende radialsymmetrische Intensitätsverteilungen, die sogenannten LAGUERRE-Moden
    • Die jeweiligen Modenzahlen werden hiermit p und l bezeichnet, wobei p die radiale Modenzahl und l die azimutale Modenzahl bedeuten.
  46. Wie entstehen die Laguerre-Moden?
    Die Spiegel oder auch das verstärkende Medium haben einen begrenzten Durchmesser. Die Lichtwelle, die auf diese Begrenzung trifft, wird durch Beugung verändert. Diese Beugungsstruktur wird vom Spiegel reflektiert, trifft auf den zweiten Spiegel, wird dort wiederum durch Beugung verändert und sofort. Letztlich stellt sich eine Intensitätsstruktur ein, die von der Geometrie des Resonators abhängt.
  47. Was sind Hermite Moden?
    Wie sehen sie aus? Welche Parameter beschreiben Aussehen?
    • HERMITE-Moden sind Eigenlösungen eines Resonators mit kartesischer Geometrie, d.h. die beugenden Blenden bzw. reflektierenden Spiegel sind rechteckförmig
  48. Welcher Parameter beschreibt die Strahlqualität?
    • Der K-Faktor
    • Gauß-Mode zugrunde gelegt, daher TEM00 => K=1
  49. Was ist der Öffnungswinkel und welche Besonderheit gibt ist hier beim Laser?
    Nenne auch die Formel!
    • Thermische Lichtquellen emittieren Licht durch spontane Emission in alle Raumrichtungen. Der von einem Laser emittierte Strahl wird hingegen mit wachsendem Anteil an Photonen, die durch induzierte Emission erzeugt werden, räumlich immer anisotroper; sein Öffnungswinkel wird kleiner
  50. Wodurch ist die Fokussierbarkeit eines Lasers begrenzt?
    Für das Laserlicht ist die Fläche des Brennfleckes nur durch die Wellenlänge des Laserlichts nach unten begrenzt. Je kleiner die Wellenlänge eines Lasers umso besser kann der Strahl fokussiert werden
  51. Was ist Kohärenz und welche Kohärenzarten werden unterschieden?
    • ab und zu schert ein Atom aus dem Gleichtakt aus und emittiert spontan ein Photon, welches in Frequenz und Phase nicht mit dem vorhandenen Strahlungsfeld übereinstimmt. Dem regelmäßigen Strahlungsfeld überlagert sich eine statistische Störung. Diese ist zwar gering, aber mit wachsender Zeit addieren sich die Störungen, und der reale Sinuswellenzug verschiebt sich in nicht vorhersehbarer Weise gegen den idealen Wellenzug
    • Zeit, nach der diese Verschiebung λ/2 beträgt, nennt man Kohärenzzeit
    • Kohärenzlänge ist der Weg den Licht in dieser Zeit zurückgelegt hat
  52. Was ist die räumliche Kohärenz?
    • Güte der Phasenbeziehung zwischen zwei räumlich differenten Punkten im Strahlungsfeld
    • Idealfall, d.h. bei konstanter Phasenbeziehung =>bei Überlagerung zweier Wellenzüge entstehen stehende Interferenzfiguren.
    • Strahlkennzahl K ist Maß für Güte der räumlichen Kohärenz

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