LASERTEKNIK. Torben Skettrup. Polyteknisk Forlag. 5. udgave

Relaterede dokumenter
Tjekspørgsmål til Laseren den moderne lyskilde

Atomare overgange Tre eksempler på vekselvirkningen mellem lys og stof, som alle har udgangspunkt i den kvantemekaniske atommodel:

ELEMENTÆR STATIK. Karl Terpager Andersen 2. udgave POLYTEKNISK FORLAG

LYS I FOTONISKE KRYSTALLER 2006/1 29

Komparativ pædagogik faglig tradition og global udfordring

Skriftlig Eksamen i Moderne Fysik

MODUL 3 OG 4: UDFORSKNING AF RUMMET

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

Undersøgelse af lyskilder

Birgit Jæger. Kommuner på nettet. Roller i den digitale forvaltning. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

FYSIK I DET 21. ÅRHUNDREDE Laseren den moderne lyskilde

Titel: Atom-, molekyl-, og kvantefysik med kolde indfangede ioner. Vejleder: Michael Drewsen

July 23, FysikA Kvantefysik.notebook

Anvendelse og udbredelse

A KURSUS 2014 Diagnostisk Radiologi : Fysik og Radiobiologi DANNELSE AF RØNTGENSTRÅLING

Judy Gammelgaard MELLEMVÆRENDE. En diskussion af begrebet borderline AKADEMISK FORLAG

Lys fra silicium-nanopartikler. Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard

Forløbet består af 5 fagtekster, 19 opgaver og 4 aktiviteter. Derudover er der Videnstjek.

Persondataloven og sagsbehandling i praksis

Når børn læser fiktion

Erik Werlauff. Kontrakter. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

Læs mere om udgivelsen på shop.karnovgroup.dk. Henrik Steffensen, Lykke Skødt, Jan-Christian Nilsen & Jan Fedders. Årsrapporten

Lønmodtageres retsstilling ved virksomhedsoverdragelse

Dannelsen af Galakser i det tidlige. Univers. Big Bang kosmologi Galakser Fysikken bag galaksedannelse. første galakser. Johan P. U.

Litteratur. En lille smule atomfysik. Billeddannende Fysik ST5 Noter til forelæsning 4. afsnit 39.4; (SJ).

Guldbog Kemi C Copyright 2016 af Mira Backes og Christian Bøgelund.

Laboratorieøvelse Kvantefysik

Lærebogen i laboratoriet

Trine P. Larsen (red.) INSIDEREOG OUTSIDERE. Den danske models rækkevidde. Jurist- og. Økonomforbundets Forlag

Spektralanalyse. Jan Scholtyßek Indledning 1. 2 Formål. 3 Forsøgsopbygning 2. 4 Teori 2. 5 Resultater 3. 6 Databehandling 3

RETORIK. Jørgen Fafner. Jørgen Fafner RETORIK KLASSISK OG MODERNE

Undervisningsbeskrivelse

Relativitetsteori. Henrik I. Andreasen Foredrag afholdt i matematikklubben Eksponenten Thisted Gymnasium 2015

This page intentionally left blank

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Peter Blume. Persondataretten. nu og i fremtiden. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

Elektriske Fordelingsanlæg. Copyright 1990 by S. Vørts and Polyteknisk Forlag

Forventet bane for alfapartiklerne. Observeret bane for alfapartiklerne. Guldfolie

Øvelse i kvantemekanik Måling af Plancks konstant

Fra enevælde til folkestyre

Beskrivelse af det enkelte undervisningsforløb

fra venstre: Philip Trøst Kristensen, Peter Lodahl og Søren Stobbe

JØRGEN DALBERG-LARSEN. Retssociologiske og retsteoretiske artikler. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

Undervisningsbeskrivelse

Atomer og kvantefysik

KAREN BORGNAKKE LÆRINGSDISKURSER OG PRAKTIKKER

oftalmolog 20 J uni 2010 Lasere i oftalmologien

Juridisk metodelære. 5. udgave

En ny definition for SI enheden for temperatur: Kelvin. Jan Hald, Dansk Fundamental Metrologi Jan Nielsen, Teknologisk Institut

Undervisningsbeskrivelse

IP I PRAKSIS LIV ANDERSSON INTERNATIONAL POLITIK ET VÆRKTØJ TIL STUDIET AF DITTE FRIESE GORM KJÆR NIELSEN

HANS GAMMELTOFT-HANSEN. Strafferetspleje I. Grundbegreber Bevis Domstolene Påtalen JURIST- OG ØKONOMFORBUNDETS FORLAG

I velfærdsstatens frontlinje

Klientcentreret terapi i psykiatrien En guide til det psykiatriske landskab og dets beboere

A KURSUS 2014 ATTENUATION AF RØNTGENSTRÅLING. Diagnostisk Radiologi : Fysik og Radiobiologi

FINANS SELSKABSRET. Lennart Lynge Andersen & Peer Schaumburg-Müller. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

JETTE THYGESEN. Emballage afgift. i miljø- og afgiftsretlig belysning. JuriST- og ØkoNomforbuNdETS

Den klassiske oscillatormodel

ØKONOMISK VIRKSOMHEDS BESKRIVELSE

HELLE ISAGER FÆRDSELS ANSVAR JURIST- OG ØKONOMFORBUNDETS FORLAG

Bernhard Gomard. Obligationsret. 4. del. 2. udgave ved Torsten Iversen

Røntgenspektrum fra anode

Jesper Jespersen Henrik R. Jensen. Introduktion til. Makro. økonomi 2. UDGAVE. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

Dopplereffekt. Rødforskydning. Erik Vestergaard

Lasere og lasergasser LAZER LINE VERSION 2018/01

Beskyttelse af juridiske personer efter grundlovens 73

Robert Biswas-Diener. invitation. positiv psykologi. til positiv psykologi. Viden og værktøj til professionelle

Atomare kvantegasser. Michael Budde. Institut for Fysik og Astronomi og QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik

Aftaleloven. med kommentarer. 5. reviderede udgave

Forsøg del 1: Beregning af lysets bølgelængde

Markedsføringsplanlægning og -ledelse

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

Erhvervsmægleres opgaver og ansvar

Ombudsmandsloven. Med kommentarer af Jon Andersen Kaj Larsen Karsten Loiborg Lisbeth Adserballe Morten Engberg & Jens Olsen

DIGITAL TINGLYSNING for studerende

Politiloven. Med kommentarer af Ib Henricson. Jurist- og Økonomforbundets Forlag 2. UDGAVE

H ELLE B ØDKER M ADSEN. Privatisering. og patientrettigheder. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

VEDTÆGTER OG EJERAFTALER

Økonomisk virksomhedsbeskrivelse

Protoner med magnetfelter i alle mulige retninger.

Undervisningsbeskrivelse

KRISEVALG ØKONOMIEN OG FOLKETINGSVALGET 2011 RUNE STUBAGER KASPER MØLLER HANSEN JØRGEN GOUL ANDERSEN STUDIER I DANSK POLITIK

Supervision af psykoterapi

Elektromagnetisme 13 Side 1 af 8 Maxwells ligninger. Forskydningsstrømme I S 1

Lys på (kvante-)spring: fra paradox til præcision

Undervisningsbeskrivelse

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

Elektromagnetisme 13 Side 1 af 8 Maxwells ligninger. Forskydningsstrømme I S 1

NIKOLAJ NIELSEN RETTEN TIL ET HJEM. Ejendomsret, privatliv og forsørgelse JURIST- OG ØKONOMFORBUNDETS FORLAG

E-Handelsloven. med kommentarer

JAKOB JUUL-SANDBERG. Forbedringer. - energibesparende foranstaltninger i lejeretlig belysning. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

Morten Rosenmeier. Introduktion til. immaterialret. Jurist- og Økonomforbundets Forlag

Lærebog i dansk og international køberet

Partikelacceleratorer: egenskaber og funktion

REGELSTATEN STUDIER I OFFENTLIG POLITIK. Væksten i danske love MADS LETH FELSAGER JAKOBSEN PETER BJERRE MORTENSEN

Projekt arbejde om ensretning, strømforsyninger og netladere (adapter til mobil telefon mv.) Projekt om lys og bølger Projket med valgfrit emne

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

Projekt arbejde om ensretning, strømforsyninger og netladere (adapter til mobil telefon mv.) Projekt om lys eller lyd.

Transkript:

LASERTEKNIK 5. udgave Torben Skettrup Polyteknisk Forlag

Laserteknik Copyright 1977 by Torben Skettrup and Polyteknisk Forlag 1. udgave, 1. oplag 1977 2. udgave, 1. oplag 1979 3. udgave, 1. oplag 1983 4. udgave, 1. oplag 1985 5. udgave, 1. oplag 1993 1. udgave, digital version 2012- 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 978-87-502-1 052-8 Polyteknisk Forlag Anker Engelundsvej 1 2800 Lyngby www. polytekniskforlag.dk

FORORD Denne bog er en omredigeret udgave af den tidligere bog "Laserteknik I", som fremkom første gang i 1977. 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

INDHOLDSFORTEGNELSE I INDLEDNING............................... 3 II ELEKTROMAGNETISK BØLGEUDBREDELSE........ 7 l. Den komplekse notation........................ 7 2. Bølgeløsninger til Maxwells ligninger............... 9 3. Lysets polarisation........................... 16 4. Bølgeudbredelse i anisotrope stoffer................ 18 III GEOMETRISK OPriK......................... 23 l. Overgang fra bølger til stråler.................... 23 2. Strålematricer.............................. 27 3. Linsebølgeledere............................ 32 4. Kuglebølgers udbredelse....................... 36 IV GAUSS BEAMET OG DETS TRANSFORMATION....... 39 l. Gauss beamets egenskaber...................... 39 2. Gauss beamets transformation.................... 44 3. Højere ordens beam modes... 48 V OPfiSKE RESONATORER...................... 53 l. Fabry-Perot etaionen......................... 53 2. Laserresonatorer med hulspejle................... 58 3. Resona torens stabilitet......................... 62 4. Resonansfrekvenser.......................... 64 5. Mode tilpasning... 66 6. Diffraktionsteori for laserresonatorer................ 70 7. Ustabile resonatorer..... 76 VI TEORI FOR LASERVIRKNING................... 89 l. Spontan og stimuleret emission................... 89 2. Egenskaber af lys frembragt ved stimuleret emission....... 95 3. Elektron oscillatormodellen...................... 98 4. Liniebredde og levetider...................... 103

5. Tre- og fireniveau lasersystemer.... 6. Betingelsen for laservirkning.................... 7. Forstærkningsmætning....................... 8. To-niveau laseren.... 9. Laserfrekvenserne.......................... IO. Mode-locking.... 11. Den optimale udgangseffekt fra en laser 107 110 115 121 123 127 130 VII LASERSYSTEMER... 133 l. Rubinlaseren............................. 133 2. Neodyniumlaseren.......................... 139 3. Titanium-safirlaseren 148 4. Helium-Neon laseren........................ 150 5. Argonlaseren............................. 156 6. COz-laseren.............................. 160 7. N 2 -Iaseren............................... 165 8. Andre gaslasere........................... 168 9. Halvlederlasere............................ 172 10. Farvestoflaseren.......................... 183 Il. Kemiske lasere........................... 190 12. Gasdynamiske lasere........................ 192 13. Fri elektron lasere.......................... 193 14. F-center laseren........................... 194 VIII ANVENDELSER 197 IX LASERSIKKERHED.......................... 207 STIKORDSREGISTER... 211

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.

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-