Lasertechnik - Institut für Biomedizinische Optik - Universität zu Lübeck

Was ist Licht ?

Elektromagnetische StrahlungElektromagnetisches Spektrum

Optisches SpektrumElektromagnetisches Spektrum

-Wechsel zu LASERLichtentstehung LASER

LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiationLASERLichtverstärkungdurchinduzierteEmissionvon Strahlung

Der Weg zum LaserHistorischer ÜberblickThe first laser build•1916 Postulation of stimulatedemission*Einstein•1928 Experimental proof of Ladenburgstimulated emissionKopfermann•1950 Experimental proof of inversion Purcel, Pound•1951/1955 Suggestion to use stimulated Fabrikant, Weber,emission for amplificationBasov,Prochorov•1953 NH 3 -Maser (12,7 mm wavelength) Townes•1958 Suggestion to use stimulated Schawlow, Townesemission for amplification in theoptical reagion•1959 Suggestion to build a gas laser Javan•1960 First laser build (Ruby laser 694,3 nm) Maiman•1961 First HeNe-laser Javan,Benett, Herriott•1962 First semiconductor laser Nathan,Duncke,Burns, Dill, Lasher•1964 Argon-Ionen-Laser William Bridges* Aufsatz zur Quantentheorie der Strahlung- Erstveröffentlichung in Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft Zürich. Nr. 18, 1916- Physik. Zeitschr. Nr. 18, 1917, S. 121

Bohr‘sches Atommodell

Absorption

Absorption

AbsorptionWahrscheinlichkeit der Absorption

spontaneEmission

spontaneEmission

Induzierte EmissionDas induziert emittierte Photon ist in Abstrahlrichtung,Wellenlänge, Polarisation und Phase identisch zuminduzierenden Photon!

Induzierte EmissionInduzierte EmissionAbsorption=

Induzierte EmissionNur wahrscheinlich wenn:1. Hohe Lebensdauer des oberen Zustands2. Starkes Photonenfeld

Lichtverstärkung durch induzierte Emission

LASER - Resonator

LASER - Anregung durch Licht

LASER – Anregung durch LichtBeispiel: gepulster Farbstofflaser

TermschemaNd:YAG

LASER - Anregung durch Stöße

TermschemaHeNe

BesetzungsinversionVoraussetzung für Verstärkungdurch induzierte Emission,d.h. LaseremissionNur wahrscheinlich wenn:1. Hohe Lebensdauer des oberen Zustands2. Starkes Photonenfeld3. Geringe Lebensdauer des unteren Zustands

BesetzungsinversionKeine Inversion möglich!Bei Gleichbesetzung N 2 =N 1 istMedium transparent. Übergangswahrscheinlichkeitenfür Absorptionund induzierte Emission sind gleich!

Ytterbium Termschema

Thermaschema Neodym (in YAG)

Gauß‘scher StrahlLaserstrahlung

Resonatoren

Resonatoren

Resonatoren

ResonatorenBedingung für Vielfach-UmlaufGesucht:Stabile elektromagnetische Feldverteilung, die dieMaxwell-Gleichungen und die Randbedingungen(Nullstelle auf Spiegel) erfüllt.

Gauß’scher Strahl

Laser-Strahlprofil - StrahlquerschnittGauß‘scherStrahlBestrahlungsstärke I als Funktion von r, z

Laser-Strahlprofil - StrahlquerschnittGauß‘scherStrahl

Fundamentalmode (TEM 00 ) –Gauß’scher Strahl(confocal resonator L=R) w 0phase frontz2 w 0stable cavity,(e.g. confocal resonator)R: Krümmungsradius der Wellenfront

Gauß’scher Strahl

Fokussierung Gauß’scher StrahlenGeometrische OptikfWellenoptik

Fokussierung Gauß’scher Strahlen2w oW l2w f fbeam parameter product: w0 const.ideal Gauss mode: w 0focus beam waist w f:lens beam diameter w lapproximation for f >> w lfw lfwf fwl 2 Fdepth of focus:(beam waist = 2 w f area = 2 minimal spot size)F-number:(focal length / beam diameter on lens)fF 2 w llf22 wf

Lasermoden

Resonatormoden - longitudinalMögliche Wellenlängen in einem Resonator:Stehwellenresonator:q*/2=L Resq=1,2,3...c q 2 LLongitudinaler Modenabstandresc2L2 0res2LRingresonator: keine Beschränkung

Lasermoden - longitudinalreflectivityfluorescence outputoptical resonatoractive material2 0res2Lthreshold for laser activitylaser powerlaser output laser < lfluorescenceWellenlänge

Laser-Strahlprofil - StrahlquerschnittGauß‘scherStrahlTEM 11

Resonatormoden - transversallinearly polarized resonator modeconfigurations for rectangular mirrorsTEM 00 TEM 10 TEM 20TEM 01 TEM 11 TEM 21TEM 11TEM 02 TEM 12 TEM 22

Eigenschaften von LaserstrahlungWas ist wesentlich für diemedizinische Anwendungen?

BestrahlungsstärkeBestrahlungsstärke (Intensität)EnergieZeit * FlächeJm 2 * s=Wm 2

Bestrahlungsstärke

Wirkung von Laserstrahlung auf GewebeIntensity W/cm²10 1210 910 610 310 0310 J/cm²Disruptioncapsulotomy1lithotripsyAblationPRK10 -3 TMLR / ELRDiagnosticsm-photon-micr.OCTOA-spectr.10 -3 10 -12 10 -9 10 -6 10 -3 10 0 10 3CoagulationRPE / retinaLITTPhotochemistryPDTPulse duration / s

Pulsdauer: kontinuierlich1. Kontinuierliche Emission

2. Gepulste Emissiona. freilaufendPulsdauer: Blitzdauer (µs-ms)Pulsdauer: freilaufendBlitzlichtEndspiegelLaserstabAuskoppelspiegelLaserpulsBlitzlichtLaserpuls

2. Gepulste EmissionPulsdauer: Güteschaltungb. gütegeschaltet (Q-switched)Pulsdauer: 1 - 100 nsBlitzlichtShutterEndspiegelLaserstabAuskoppelspiegelLaserpulsBlitzlichtLaserpuls

2. Gepulste EmissionPulsdauer: Güteschaltungb. gütegeschaltet (Q-switched)mittels PockeslzellePulsdauer: 1 - 100 nsHV+-Resonator geschlossendspiegelBlitzlichtLaserstabAuskoppelspiegelPockelszelle

2. Gepulste EmissionPulsdauer: Güteschaltungb. gütegeschaltet (Q-switched)mittels PockeslzellePulsdauer: 1 - 100 nsBlitzlichtLaserpulsHV+EndspiegelBlitzlichtHV anHV ausLaserstabAuskoppelspiegelPockelszelleResonator geschlossenEndspiegelBlitzlichtLaserstabLaserpulsPockelszelle-AuskoppelspiegelResonator offen

2. Gepulste EmissionPulsdauer: Modenkopplungc. modengekoppeltPulsdauer: 5 fs - 100 ps

amplitudeModenkopplung totalPrinzip derModenkopplung q,q+1

amplitudeModenkopplung totalPrinzip derModenkopplunglong . modes302010- 2.5 2.5 5 7.5 10 12.5 15 dj =2p €€D l605040302010I,E- 2.5 2.5 5 7.5 10 12.5 15 dj =2p €€D lRandom phase relation q,q+1long . modeslong3modes583024632014210- 2.5212.5 5 7.5 1012.5 15 dj =2p €€D l- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15 dj =2p €€D l- - 1- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15 dj =2p €€D llI,EI,E40025438300 202615200141010052- 2.5 2.5 5 7.5 10 12.5 15 dj =2p €€D l- 12.5 2.5 7.5 10 12.5 15 dj =2p €€- - 2.5 2.5 5 7.5 10 12.5 15 dj =2p €€D llFixed phase relation

ModenkopplungPrinzip der Modenkopplungamplitudet pulsest pulses = 2L / cequals round trip time;pulse repetitionfrequency:timeprf = 1 / t pulses = c / 2Lwidth of individual pulses:p p112n11q,q(n: number of modes involved)p1total

ModenkopplungRealisierung der Modenkopplungactive mode coupling with modulatormodulated gainmodulation period equal to round trip timepassive mode coupling with saturable absorberdye cell directly contacted to 100% mirror

Pulsdauer (Überblick)Time Exponent S =c ·t Distance Laser1 s 1 3·10 8 m moon – earth cw - gechoppt (argon, diode, etc.)1 ms 10 -3 300 km Lübeck – Göttingen pulsed (ruby, Nd:YAG)1 µs 10 -6 300 m stadium Q-regulated laser(Alexandrit, SHG-Nd:YLF)1 ns 10 -9 30 cm foot Q-switched laser(Nd:YAG, ruby)1 ps 10 -12 0,3 mm thick hair mode-locked laser(Nd:YLF)1 fs 10 -15 0,3 µm λ/2 of visible light mode-locked vibroniclaser with dispersioncontrol and non-linearbroadening of the spectrum

Eigenschaften von Laserstrahlung

Eigenschaften von Laserstrahlung

Eigenschaften von Laserstrahlungstarke Fokussierung sehr hohe Intensität

Präzise Materialbearbeitung mit Lasern

Lichtwellenleitung

Laserlithotripsie

Interferenz von kohärenten WellenProbenarmI PI RStrahlteilerLichtquelleReferenzarmI MIntensitätsmodulationDetektor1I(x), A(x)0.5040 30 20 10 0 10 20 30 40x [µm]

Optische Kohärenztomographie (OCT)Beispiel: FingerspitzeOCT-AufnahmeHistologie1 mm x 1,5 mm

Lasermedien

Wellenlängen bedeutender LaserDiodenlaser (630 - 980 nm)optisches FensterExcimere (193, 308 nm)

Lasermedien‣ FestköperlaserStablaser (Nd:YAG, Nd:YLF, Ti:Saphir, Alexandrit....)Scheibenlaser (Yb:Glas)Faserlaser (Yb:YAG)‣ Gaslaser (HeNe, Argon-Ionen, CO 2 , Excimer)‣ Farbstofflaser (Rhodamine, Coumarine)‣ Halbleiterlaser / Laserdioden (AlGaAs....)EinzelemitterStreifenBarrenStacks

Gaslaser – HeNe-Laser

Gaslaser CO 2 -Laser

Halbleiterlaser

Halbleiterlaser

Halbleiterlaser

HalbleiterlaserAdvantages•Small• Inexpensive• High efficiency (30-50%)• High power (kW)• Can be modulated up to 10 GHz• Long lifetimeDisadvantages• Asymmetric beam profile (e. g. θ x =10°, θ y =30°)• High divergence• Low pulse energies

Halbleiterlaser

Festkörperlaser

Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)Wichtigster Wirtskristall für Laser-Ionen

Laserkristalle

FestkörperlaserLongitudinale Pumpanregung

FestkörperlaserTransversale Pumpanregung

FrequenzkonversionLineare AuslenkungrEEPolarisation beschreibt Wechselwirkung eines elektrischen Feldes mit MaterieOptischesMedium

Frequenzkonversionnichtlineare AuslenkungrEEPolarisation beschreibt Wechselwirkung eines elektrischen Felds auf Materie

Frequenzverdopplung

Vielen Dank!Prof. Raimund Hibst, Universität UlmProf. Günter Huber, Universität Hamburghttp://www.physnet.uni-hamburg.de/ilp/de/festkoerperlaser.htmlMedizinisches Laserzentrum Lübeck MLL