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GL Lasertechnik (Fach) / Prüfungsvorbereitung (Lektion)

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• Beschreiben Sie den Prozess der stimulierten Emission! →      Voraussetzung:  Atome befinden sich im angeregten Zustand →      Einfallendes Photon induziert Übergang o   Die äußere Ursache muss die Resonanzbedingung erfüllen => hv21=E2-E1 →      Die Anzahl der Photonen, die emittiert werden, ist gleich der Anzahl der Atome, die sich im angeregten Zustand befinden.
• Welche Eigenschaften zeichnen erzeugte Lichtquanten aus? Das erzeugte Photon weisst die gleichen Eigenschaften wie das einfallende Photon auf: →      Gleiche Wellenlänge →      Gleiche Richtung →      Gleiche Polarisation →      Gleiche Phase
• Warum ist die Besetzungsinversion im atomaren System Grundvoraussetzung für eine effektive Lichtverstärkung? nachtragen
• Nenne die Vorteile des 4-N-S gegenüber dem 3-N-S! →      Niedrigere Anregungsleistung nötig o   Inversion bereits bei wenigen Atomen in E3, da N2≈0 →      Keine Reabsorption o   Da N2≈0 beträgt à keine Resonanz für Absorption o   Keine Reabsorption aus Grundniveau à E2 – E1 < hv21 < E3 – E1 o   Keine Reabsorption aus unteren Laserniveau à N2≈0
• Was ist ein metastabiler e(-) – Zustand? Durch einen Pumpvorgang werden möglichst viele Atome in einen angeregten Zustand gebracht, diese sollen dann in diesem angeregten Zustand eine bestimmte Zeit verweilen. →      Ein metastabiler Zustand entsteht durch Besetzungsinversion
• Wie viele Axialmoden schwingen in einem HeNe-Laser, wenn der Resonator 25cm lang ist δv=15Ghz beträgt? nachtragen
• Was ist der Grund dafür, dass der GaAlAs-Halbleiterlaser eine gute Rolle bei Materialien für Halbleiterlaser einnimmt? Nenne drei Anwendungen für einen GaAlAs-HL mit entsprechender Laserwellenlänge! Vorteile der GaAlAs-Halbleiterlaser  sind: -          Sehr kleine Bauweise -          Integrierbar mit Mikroelektronik -          Hoher Wirkungsgrad -          Einfache Anregung durch Niederspannung -          Niedrige Kosten -          Hohe Ausgangsleistung -          Großer spektraler Bereich -          Hohe Lebensdauer
• Nennen Sie die 2.Laserbedingung! Die 2. Laserbedingung besagt, dass eine Lasertätigkeit nur dann entsteht, wenn die Verstärkung im aktiven Medium größer ist, als die Verluste im Resonator. R_1+R_2 e^(2g_0l) ≥ 1
• Wie groß kann die Transmission des Auskoppelspiegels max. sein, wenn der andere Resonatorspiegel einen Reflexionsgrad von 100% besitzt, g0=0,002cm-1 und das aktive Medium l=20cm ist? Nachtragen
• Unterscheiden Sie den Aufbau: a) Plan-plan-Resonator b) Konfokalen Resonator c) Sphärischen Resonator d) Skizzieren Sie die internen Strahlenverläufe e) Für welche Anwendungen sind die Resonatoren besonders günstig? Nachtragen
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• Was ist ein stabiler Resonator? Geben Sie die Stabilitätskriterien für opt. Resonatoren an! Berechnen Sie einen Plan-Konkav-Resonator bzgl. der Länge des Resonators. Gegeben ist ein Konkavspiegel R=2m und ein Planspiegel mit R=∞. Stabiler Resonator: -          Idealer Energiespeicher -          Strahlungsenergie bleibt  bei Vernachlässigung der Verluste im Resonator Stabilitätskriterium: 0<=g1g2<=1
• Was sind Transversalmoden? Nenne Anwendungsbeispiele für Multimode und Grundmode. Wie ist der Singlemode erreichbar? Transversalmoden sind räumlich getrennte und nicht mehr rotationssymmetrische Verteilungen des Photonenstroms. REST NACHTRAGEN
• Was sind Axialmoden? Nenne Anwendungsbeispiele für Multimode und Singlemode. Wie ist der Singlemode erreichbar? Axialmoden sind Schwingungen längs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. REST NACHTRAGEN
• Welche Vorteile hat der HL-Diodenlaser gegenüber der Gasentladungslampe? Vorteile: -          Gezielt auswählbare Wellenlänge -> optimal zum Anregen des zu pumpenden AM -          Geringe Wärmeentwicklung -> Luftkühlung ist ausreichend -          Kompakte Bauweise -          Hoher Wirkungsgrad à fast 100% Ausnutzung der opt. Pumpleistung -          Langlebig -          Temperaturstabilisierend
• Skizzieren Sie die Kennlinie eines Laserdiodengepumpten Nd:YAG-Laser gegen die Pumpleistung! Erläutern Sie dabei die Laserschwelle, den totalen Wirkungsgrad, den differentiellen Wirkungsgrad und den Einfluss der Betriebstemp. auf die Laserschwelle. NACHTRAGEN
• Welche Strahleigenschaften unterscheiden Laser von herkömmlichen Strahlungsquellen? -          Parallelität -          Hohe Kohärenz -          Hohe Strahlungsleistung und Fokussierbarkeit -          Einsatz verstärkter Femtosekundenimpulse -          Erzeugung extrem kurzer Laserimpulse
• Nennen Sie die erste Laserbedingung für ein atomares System! Warum kann dieses für Zwei-Niveau-Systeme nicht erfüllt werden? Die Verstärkung von Licht kann nur erfolgen, wenn in den Besetzungszahlen eine Inversion vorhanden ist. --> N2>N1; E2>E1 und deltaN>0 D.h. das obere Laserniveau muss stärker besetzt sein, als das untere Laserniveau. Voraussetzung:   deltaN>0, mit deltaN = N2-N1 und N2>N1               Für ein 2-N-S ist aufgrund der Boltzmannschen Besetzungswahrscheinlichkeit eine Besetzungsinversion nicht möglich, max. N1 = N2.
• Erläutern Sie die Vorgänge im 4-N-S zur Erzeugung von Laserstrahlung! Gehen Sie dabei auch auf die Anforderungen an die Lebensdauer der Elektronen in den einzelnen Energieniveaus ein! Wo findet der Laserprozess statt und welche Wellenlänge ergibt sich daraus für die Laserstrahlung? REST NACHTRAGEN
• Beschreiben Sie den Aufbau des HeNe-Lasers und deren Anregungsmechanismen. Wieso können verschiedene Wellenlängen zum Lasern angeregt werden? Wieso macht es keinen Sinn, zur Leistungsskalierung die Stromstärke beliebig zu vergrößern? Anregungsmechanismus: -          4-Niveau-Laser -          Helium wird durch Gasentladungslampe auf E3 angeregt -          Durch Stöße 2.Art werden die Laser-Niveaus des Neons gefüllt -          Markanter Laserübergang von 3s auf 2p bei 632,8nm -          Spontane Emission auf 1s -          Entleerung durch Abregung an der Kapillare
• Wieso ist das Emissionsspektrum eines Lasers durch Axialmoden gekennzeichnet? Wie viele Axialmoden im Nd-YAG-Laser gibt es, wenn der Resonator 12,5cm lang ist und δv=120Ghz beträgt? Wie kann man Einaxialmoden erzwingen? REST NACHTRAGEN
• Beschreiben Sie den Aufbau der Doppelheterostruktur in HL-Laser. Was sind die Vorteile dieser Struktur im Vergleich zum Homojunction HL-Laser? REST NACHTRAGEN
• Erläutern Sie die Vorgänge des 3-N-S zur Erzeugung von Laserstrahlung! Beschreiben Sie dabei die Anforderungen für die Lebensdauer der Elektronen in den einzelnen Energieniveaus! Welche Nachteile gibt es gegenüber dem 4-N-S? REST NACHTRAGEN
• Welche Größen bestimmen die Lichtverstärkung beim einmaligen Durchlauf durch ein aktives Medium und welcher math. Zusammenhang besteht zwischen ihnen? REST NACHTRAGEN
• Wie wird die Intensitätskurve eines Gaußbündels senkrecht zur Ausbreitungsrichtung math. beschrieben (Skizze)? Was versteht man bei einem Gaußbündel unter dem Begriffen Strahlradius, Strahltailie, Strahldivergenz? Strahlradius: -          Bedingt durch die mangelhafte räumliche Kohärenz und die transversalen Moden -          Ist der halbe Öffnungswinkel des Strahls im Fernfeld REST NACHTRAGEN
• Erläutern Sie die Wechselwirkungen von Photonen mit dem Valenzelektron in einem atomaren System anhand der Absorption, sowie der spontanen und stimulierten Emission. REST NACHTRAGEN
• Erklären Sie den Aufbau zum Pumpen eines Nd:YAG-Lasers. REST NACHTRAGEN
• Was ist ein stabiler Resonator? Skizzieren Sie eine Variante. Wie lautet das math. Stabilitätskriterium für einen opt. Resonator? REST NACHTRAGEN
• Was sind Axialmoden und was Transversalmoden? Skizzieren Sie die Intensitätsverteilung eines TEM00-, eines TEM11- sowie eines Ringmodes. Welche Anwendungen kommen für Monomode und Multimode jeweils in Frage? REST NACHTRAGEN
• Wodurch wird die max. Transmission vom Auskoppelspiegel festgelegt? Wie wird die Transmission realisiert? Die Verstärkung muss größer sein als die Verluste, um die Laserschwelle zu erreichen. Durch Herstellung spezieller Spiegel (Beschichtung) kann die gewünschte Transmission erreicht werden. Einer der Spiegel reflektiert 100% der andere je nach Lasertyp weniger als 100%.
• Skizziere den Aufbau eines Nd:YAG Laser, welcher longitudinal mit einer Laserdiode gepumpt wird. Was ist beim Reflexionsvermögen der Spiegel zu beachten? Durch was wird die Länge des aktiven Mediums begrenzt? Der Nd:YAG-Laser hat folgende Eigenschaften: -          Sehr kompakte Bauform -          Die Leistung ist nicht beliebig skalierbar, da die Absorption die Eindringtiefe der Pumpstrahlung festlegt -          Die Verlängerung des AM ist nicht sinnvoll  Der Auskoppelspiegel sollte die Pumpwellenlänge reflektieren. Die Länge des AM wird durch die Eindringtiefe der Pumpstrahlung begrenzt.

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