Signalverarbeitung Skript Notizen PDF

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Skript zur Vorlesung Signalverarbeitung an der Hochschule München...

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Lasertechnik / Optoelektronik

Der erste Laser der Welt (Maiman Juni 1960):! Beidseitig verspiegelter Rubinstab, gepumpt mit einer gewendelten Blitzlampe.

Hochschule München FK06 MFB5G Prof. Dr. Manfred M. P. Fickenscher

I!

Inhaltsverzeichnis

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1. Einleitung .................................................................................1 1.1. Eigenschaften von Laserstrahlung .................................................................1 1.1.1. Parallelität .............................................................................................................................1 1.1.2. Monochromasie....................................................................................................................1 1.1.3. Kohärenz ...............................................................................................................................1

1.2. Zeitskala der Laserentwicklung......................................................................2 • Nobelpreise...................................................................................................................... 2

1.3. Literatur ...............................................................................................................3 • Licht und Lasergrundlagen........................................................................................... 3 • Laseranwendungen ........................................................................................................ 3

2. Licht ...........................................................................................4 2.1. Welle-Teilchen-Dualismus ...............................................................................4 2.1.1. Transversale elektromagnetische Welle ..........................................................................4 2.1.2. Photon ....................................................................................................................................6

2.2. Polarisation .........................................................................................................7 2.2.1. Dipolstrahlung .....................................................................................................................7 2.2.2. Arten von Polarisation ........................................................................................................8 2.2.3. Polarisation durch Reflexion ...........................................................................................10 2.2.4. Polarisatoren .......................................................................................................................12 2.2.4.1. Dichroitische Polarisationsfilter..................................................................................... 12 2.2.4.2. Kristall-Polarisatoren....................................................................................................... 13 2.2.5. Dichroismus und Doppelbrechung ...............................................................................14 2.2.6. Verzögerungsplättchen .....................................................................................................16 2.2.6.1. Halbwellenplättchen ....................................................................................................... 17 2.2.6.2. Viertelwellenplättchen .................................................................................................... 18 2.2.7. Analyse beliebiger Polarisationszustände ...................................................................18 2.2.7.1. Bestimmung des linearen Polarisationsgrads.............................................................. 18 2.2.7.2. Bestimmung eines beliebigen Polarisationszustandes ............................................... 20

2.3. Kohärenz............................................................................................................21 2.3.1. Interferenz und zeitliche Kohärenz ...............................................................................21 2.3.2. Zusammenhang Kohärenzzeit – Bandbreite ................................................................22 2.3.3. Räumliche Kohärenz.........................................................................................................23

2.4. Speckles .............................................................................................................25 2.4.1. Subjektive Speckles ..........................................................................................................25 2.4.2. Objektive Speckles ...........................................................................................................26

3. Laser-Prinzip ..........................................................................29 3.1. Wechselwirkung von Licht und Materie .....................................................29 3.1.1. Absorption ..........................................................................................................................30 3.1.2. Spontane Emission ............................................................................................................31 3.1.3. Stimulierte (induzierte) Emission ..................................................................................31

Dr. Fickenscher _ Lasertechnik/Optoelektronik

Inhaltsverzeichnis

!II

3.1.4. Bilanzgleichungen .............................................................................................................32 3.1.5. Besetzungsinversion .........................................................................................................33

3.2. Laseroszillator ..................................................................................................35 3.2.1. Funktionsweise und Schwelle ........................................................................................35 3.2.2. Einschwingvorgang ...........................................................................................................36 3.2.3. Ratengleichungen, stationärer Laserbetrieb ................................................................37 • Betrieb unterhalb der Laserschwelle ......................................................................... 39 • Laserbetrieb ................................................................................................................... 39

3.3. Optischer Resonator ........................................................................................41 3.3.1. Grundlegender Aufbau ....................................................................................................41 3.3.1.1. Metallspiegel..................................................................................................................... 42 3.3.1.2. Dielektrische Spiegel ....................................................................................................... 43 3.3.1.3. Antireflexbeschichtungen ............................................................................................... 44 3.3.2. Resonatorstabilität ............................................................................................................45 3.3.2.1. Stabile Resonatoren ......................................................................................................... 46 3.3.2.2. Instabile Resonatoren ...................................................................................................... 47 3.3.3. Longitudinalmoden ..........................................................................................................47 3.3.4. Transversalmoden ..............................................................................................................49 3.3.5. Beugungs- und Justageverluste ......................................................................................52

4. Gaußsche Bündel ..................................................................54 4.1. Grundmode .......................................................................................................54 4.2. Höhere Moden..................................................................................................56 4.3. Strahlparameterprodukt .................................................................................56 • Bestimmung der Strahlqualität .................................................................................. 57

4.4. Durchgang von Gaußbündeln durch Linsen .............................................59 4.4.1. Inkohärente Abbildung ...................................................................................................59 4.4.2. Transformation von Gaußbündeln ................................................................................59 4.4.2.1. Rayleighlänge klein gegen Abstand zur vorderen Brennebene................................ 60 4.4.2.2. Strahltaille in der objektseitigen Brennebene .............................................................. 60 4.4.3. Fokussierung von Laserbündeln ....................................................................................60 4.4.3.1. Fokusgröße........................................................................................................................ 60 • Fokusdurchmesser bei höheren Moden .................................................................... 61 4.4.3.2. Rayleighlänge ................................................................................................................... 61 4.4.4. Aufweitung von Laserbündeln .......................................................................................62 4.4.5. Fokussierung von aufgeweiteten Laserbündeln .........................................................63 4.4.6. Raumfilter (Ortsfrequenzfilter) .......................................................................................63

4.5. Aktuelle Anwendungen .................................................................................65 4.5.1. Optische Laufwerke ..........................................................................................................65 4.5.2. STED-Mikroskop ..............................................................................................................66 • Fluoreszenz-Laser-Raster-Mikroskopie..................................................................... 66 • Funktionsprinzip des STED-Mikroskops.................................................................. 66 • Anwendungen .............................................................................................................. 68

III !

Inhaltsverzeichnis

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5. Lasertypen ..............................................................................69 5.1. Übersicht verfügbarer Laser .......................................................................... 69 5.2. Halbleiterlaser ..................................................................................................70 5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. 5.2.4. 5.2.5.

Prinzipielles ........................................................................................................................70 Homojunction- und Doppelhetero-Struktur ................................................................72 Strahlqualität ......................................................................................................................74 Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) ......................................................................74 Diodenlaserbarren .............................................................................................................76

5.3. Festkörperlaser .................................................................................................81 5.3.1. Rubinlaser ...........................................................................................................................81 5.3.2. Neodym-Laser ....................................................................................................................82 5.3.3. Diodengepumpte Festkörperlaser ..................................................................................84 5.3.3.1. Longitudinal gepumpt .................................................................................................... 84 5.3.3.2. Transversal gepumpt ....................................................................................................... 85 5.3.3.3. Scheibenlaser .................................................................................................................... 86 5.3.3.4. Faserlaser........................................................................................................................... 86 5.3.3.5. Erbium- und Holmiumlaser ........................................................................................... 88 5.3.4. Glaslaser ..............................................................................................................................88 5.3.5. Alexandrit- und Titan-Saphir-Laser ...............................................................................88

5.4. Gaslaser..............................................................................................................89 5.4.1. Helium-Neon-Laser ...........................................................................................................89 5.4.2. CO2-Laser ............................................................................................................................90 5.4.3. Excimerlaser ........................................................................................................................94

6. Laseranwendungen ...............................................................97 6.1. Der gebündelte Laserstrahl............................................................................97 6.1.1. Fluchtung und Lage im Raum .........................................................................................97 6.1.2. Abstandsmessung und LIDAR .......................................................................................98

6.2. Laser in Geräten und Gebrauchsgütern ......................................................99 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.2.4.

Strichcodelesegeräte..........................................................................................................99 Compact Disc ......................................................................................................................99 Laserdrucker .....................................................................................................................101 Laser-Piko-Projektoren und Laserfernsehen .............................................................101

6.3. Nachrichtenübertragung mit Glasfasern ..................................................102 6.4. Materialbearbeitung mit Lasern .................................................................104 6.4.1. 6.4.2. 6.4.3. 6.4.4. 6.4.5. 6.4.6. 6.4.7.

Schneiden ..........................................................................................................................105 Schweißen .........................................................................................................................106 Oberflächenbehandlung ................................................................................................107 Markieren ..........................................................................................................................108 Herstellung von Halbleiterbauelementen ..................................................................108 Zukunftstechnologien der Lasermaterialbearbeitung .............................................108 Mikromaterialbearbeitung, Stereolithographie ........................................................109

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!IV

6.5. Rapid Prototyping, Rapid Tooling ............................................................. 110 6.5.1. Selektives Laser-Sintern (SLS) ......................................................................................110 6.5.1.1. Beschreibung...................................................................................................................110 6.5.1.2. Selektives Laser Sintern von Kunststoffpulver..........................................................112 6.5.1.3. Indirektes Selektives Laser Sintern von Metallen .....................................................112 6.5.2. Direktes Selektives Laser Sintern von Metallen .......................................................113 6.5.3. Selektives Laser-Schmelzen (SLM: Selective Laser Melting) .................................114

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1. Einleitung

1!

1. Einleitung 1.1. Eigenschaften von Laserstrahlung Laserstrahlung unterscheidet sich von allen anderen natürlichen und künstlichen Lichtquellen durch drei wesentliche Grundeigenschaften:! – geringe Strahldivergenz („paralleles“ Licht)! – geringe spektrale Bandbreite („monochromatisches“ Licht)! – hohe Kohärenz („geordnete Wellenzüge“)

1.1.1. Parallelität Licht normaler Lichtquellen wird i. Allg. in den vollen Raumwinkel ! 𝛺 = 4 πsr emittiert. Laserlicht dagegen ist i. Allg. beugungsbegrenzt, d."h. abhängig vom Strahldurchmesser D ! beträgt der Divergenzwinkel nur !2θ = 2λ /D im mrad-Bereich. Typische Anwendungen: Vermessungswesen, Kommunikation, Scanner. Wie groß ist die Divergenz einer LED mit 1 mm ∅, kollimiert mit einer Linse ! f′ = 10 mm? Eine Folge der geringen Strahldivergenz ist eine optimale Fokussierbarkeit, d."h. man erhält eine sehr hohe Leistungsdichte (Intensität I! ) in der Brennebene einer Linse: Beispiel: 100 W Laserstrahlung gebündelt auf einen Fleck mit !20"µm2 [∅ ≈ 5 µm] ergibt ! 5⋅108"W/cm2 (die fokussierte Sonnenstrahlung „nur“ ! 5⋅102"W/cm2) Anwendungen: Materialbearbeitung (Schneiden, Bohren, Schweißen, Härten, …).

1.1.2. Monochromasie Das Licht einer Glühbirne ist breitbandig („weißes“ Licht). Die Emissionslinien bei Gasentladungslampen liegen bei !𝛥 λ /λ = 10−6. Laserstrahlung typisch !𝛥 λ /λ = 10−6…10−9 und stabilisierte Gaslaser !𝛥 λ /λ = 𝛥 f /f < 10−15. Anwendungen: Frequenz- und Zeitnormal (Frequenzkamm), Spektroskopie, Laserchemie (z."B. Uran-Anreicherung), Laserkühlen. Wie groß ist die Bandbreite !𝛥 λ eines He-Ne-Lasers (λ! = 632,8 nm) mit ! 𝛥 λ /λ = 10−6,8?

1.1.3. Kohärenz Geordnete Wellenzüge und Schmalbandigkeit der Strahlung bewirken hohe räumliche („quer“) und zeitliche („längs“) Kohärenz mit Kohärenzlängen im Bereich m bis km. Typische Anwendungen: Interferometrie, Holographie, kohärente Übertragungstechnik. Darüber hinaus kann man mit speziellen Lasern sehr kurze Impulse (bis < 1 fs) erzeugen. Typische Anwendungen: Nichtlineare Optik (z."B. SHG), Kurzzeitspektroskopie, Materialbearbeitung, Informationsübertragung, Kernfusion."

1.2. Zeitskala der Laserentwicklung

2!

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1.2. Zeitskala der Laserentwicklung 1917

A. Einstein: Quantentheorie der optischen Strahlung, stimulierte Emission

1928

R. Ladenburg: Experimenteller Nachweis der stimulierten Emission in Gasentladungen

C.H. Townes, J. Weber, N.G. Basov, A.M. Prochorov: 1951/1954 Theoretische Arbeiten zum MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) C.H. Townes et. al., I.P. Gordon et. al.: 1954 Erster Ammoniak-Maser (! 2,39 ⋅ 1010"Hz; 1,25 cm) A.L. Schawlow u. C.H. Townes: Theoretische Arbeiten zum ‚Maser‘ im optischen Strahlungsbereich (Optischer Verstärker)

1958 1959 Juni 1960

G. Gould: US-Patente zum LASER T.H. Maiman: Titelbild! Erster blitzlampengepumpter Festkörperlaser (Rubin; 4 ! ,32 ⋅ 1014"Hz ; 694 nm)

Dez. 1960

A. Javan et. al.: Erster cw-Gaslaser (He...