LASERTEKNIK. Torben Skettrup. Polyteknisk Forlag. 5. udgave

Transkript

1

2

3 LASERTEKNIK 5. udgave Torben Skettrup Polyteknisk Forlag

4 Laserteknik Copyright 1977 by Torben Skettrup and Polyteknisk Forlag 1. udgave, 1. oplag udgave, 1. oplag udgave, 1. oplag udgave, 1. oplag udgave, 1. oplag udgave, digital version ingen ændringer i forhold til 5. udgave, 1993 Alle rettigheder foreholdes. Mekanisk, fotografisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er kun tilladt i overensstemmelse med overenskomst mellem Undervisningsministeriet og Copy-Dan. Enhver anden udnyttelse uden Polyteknisk Forlags skriftlige samtykke er forbudt ifølge gældende dansk lov om ophavsret. Bogen er trykt i offset hos grafisk/butik, Rødovre Printed in Denmark 1993 E-bog Polyteknisk Forlag Anker Engelundsvej Lyngby www. polytekniskforlag.dk

5 FORORD Denne bog er en omredigeret udgave af den tidligere bog "Laserteknik I", som fremkom første gang i Adskillige afsnit er omskrevet og nye afsnit og områder er tilføjet, ligesom visse dele fx detektorer og ulineær optik er udgået, idet disse områder dækkes af andre fag. Bogen er tænkt benyttet ved forelæsningerne i laserteknik ved DTH. Emnevalget har været baseret på et ønske om at give de studerende en rimelig forståelse af den fysiske baggrund for lasere, deres virkemåde og anvendelse. Der sker stadig en stor udvikling inden for dette område. I øjeblikket er det især de lidt ældre typer glasrørslasere, som erstattes af lasere baseret på faste stoffer og halvlederkomponenter. Laseren har fundet stor udbredelse fx i forbindelse med optisk kommunikation, optisk lagring (compact discs) og kasseapparatskannere. Laserområdet er således et felt, som må formodes at kunne få betydning for mange studerende, uanset hvilken specialretning de tilhører. Under hensyn til det begrænsede timetal, der er til rådighed (28 dobbelt lektioner) har det været nødvendigt at begrænse emneområdet. Den kvantemekaniske behandling af vekselvirkningen mellem stof og stråling er således undgået, men bliver behandlet i et efterfølgende kursus om kvanteoptik. I stedet er benyttet en behandling baseret på Einstein hypoteserne om stof og stråling, hvorved teorien for laservirkning stort set kan gennemgås med klassiske metoder. I den foreliggende bog er der lagt vægt på en indføring i de grundlæggende lasertekniske begreber, både fysiske og optiske, samt en række praktiske lasersystemers virkemåde og egenskaber. De studerende kan herved få et rimeligt kendskab til laserteknik og således sættes i stand til at løse praktiske ingeniøropgaver, hvori anvendelsen af lasere indgår. Juni 1993 Torben Skettrup

6

7 INDHOLDSFORTEGNELSE I INDLEDNING II ELEKTROMAGNETISK BØLGEUDBREDELSE l. Den komplekse notation Bølgeløsninger til Maxwells ligninger Lysets polarisation Bølgeudbredelse i anisotrope stoffer III GEOMETRISK OPriK l. Overgang fra bølger til stråler Strålematricer Linsebølgeledere Kuglebølgers udbredelse IV GAUSS BEAMET OG DETS TRANSFORMATION l. Gauss beamets egenskaber Gauss beamets transformation Højere ordens beam modes V OPfiSKE RESONATORER l. Fabry-Perot etaionen Laserresonatorer med hulspejle Resona torens stabilitet Resonansfrekvenser Mode tilpasning Diffraktionsteori for laserresonatorer Ustabile resonatorer VI TEORI FOR LASERVIRKNING l. Spontan og stimuleret emission Egenskaber af lys frembragt ved stimuleret emission Elektron oscillatormodellen Liniebredde og levetider

8 5. Tre- og fireniveau lasersystemer Betingelsen for laservirkning Forstærkningsmætning To-niveau laseren Laserfrekvenserne IO. Mode-locking Den optimale udgangseffekt fra en laser VII LASERSYSTEMER l. Rubinlaseren Neodyniumlaseren Titanium-safirlaseren Helium-Neon laseren Argonlaseren COz-laseren N 2 -Iaseren Andre gaslasere Halvlederlasere Farvestoflaseren Il. Kemiske lasere Gasdynamiske lasere Fri elektron lasere F-center laseren VIII ANVENDELSER 197 IX LASERSIKKERHED STIKORDSREGISTER

9 Indledning 3 I INDLEDNING Ordet LASER er en forkortelse af Light Amplitication by Stimulated Emitted Radiation og bruges om en lyskilde, der frembringer lys ved hjælp af stimuleret emission. hv -r----lftl--e2 hv ~ ~,~... El Fig. l Absorption og emission af fotoner ved et atom med energiniveauer E 1 og E 2. Einstein var den første, som indså (i 1917), at stråling både kan udsendes som spontan emission og som stimuleret emission. I fig.1 er vist to energiniveauer E 1 og ~ i et atom. Vi kan i det følgende antage, at det pågældende stofs atomer kun har disse to energitilstande. En foton (et lyskvant) har energien hu, hvor h er Plancks konstant og u er lysfrekvensen. Fotonen kan absorberes, hvorved en elektron i niveauet E 1 eksciteres op i niveauet~ Energibevarelsen kræver, at hu= ~-E 1 Hvis der er en elektron i niveauet~. kan den omvendt overgå til det lavere energiniveau E 1, idet der udsendes en foton med energien hu = ~-E 1. Denne overgang kan foregå helt spontant dvs. helt uafhængigt af evt. ydre felter. Denne type emissionsproces kaldes spontan emission. Overgangen kan imidlertid også induceres af ydre felter. Ligesom en foton kan få en elektron til at gå op i et højere energiniveau, kan den også få en elektron til at gå ned i et lavere energiniveau under udsendelse af en foton. Denne overgang kaldes stimuleret emission, da den er stimuleret af ydre felter (fotonen). Det udsendte felt er i fase med det stimulerende felt. Felterne adderes derfor op, således at lysfeltet i stoffet bliver forstærket ved hjælp af den stimulerede emission. Imidlertid modvirker absorptionen af lyset denne forstærkning.

10 4 Indledning (a) Ød'HF - (b) Fig. 2 Stof med energiniveauer E 1 og E 2. Der er N 1 elektroner med energi E 1 og N 2 med energi E 2. l a) er N 2 <N 1, og lyset absorberes mest. I b) er N 2 > N 1 (populationsinversion), og lyset forstærkes mest. Princippet for lysforstærkningen er skitseret i fig.2, hvor to tilfælde er vist. Det sædvanlige tilfælde er vist i fig.2a. Her er stoffet i termisk ligevægt med omgivelserne, således at næsten alle elektronerne befinder sig i grundtilstanden E 1 Når lyset løber gennem stoffet, sker der derfor flere absorptionsprocesser end emissionsprocesser, og lyset bliver dæmpet. I fig.2b er stoffet blevet eksciteret, således at næsten alle elektronerne befinder sig i den eksciterede tilstand ~. Når lyset nu løber gennem stoffet, sker der flere emissionsprocesser (stimulerede) end absorptionsprocesser, og lyset bliver derfor forstærket. Lysforstærkningen indtræder, så snart der er flere elektroner i tilstand ~ end i tilstand E 1 altså når N 2 >N 1 Denne nødvendige betingelse for lysforstærkning kaldes for populationsinversion. Princippet, der ligger til grund for laserens virkemåde, er altså: Lysets forstærknin~: ved hjælp af stimuleret emission. Ligesom en sædvanlig etektronisk forstærker kan gå i sving (oscillere), når man tilføjer en tilbage-