LASER

Verstärkung durch induzierte Emision

Sender optischer Strahlung
hoher Kohärenz und Leistungsdichte

Herausgegeben von
W. Kleen und R. Müller

Unter Mitarbeit von
G. Grau - K. Gürs
D. Rosenberger - G. Winstel

Springer-Verlag
Berlin - Heidelberg - New York
1969

567 Seiten, gebunden
diverse Zeichnungen, Diagramme, Tabellen etc.

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Vorne im Buch ist der Stempel: RUDOLF MÜLLER PRIVATEXEMPLAR
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Text von den Umschlagseiten des Schutzeinbandes:

Der vor etwa einem Jahrzehnt zum ersten Mal realisierte Laser, auch optischer Maser genannt, beruht auf Erkenntnissen, die in ganz verschiedenen Sparten der Physik gewonnen wurden. Er hat ferner für ganz verschiedene Bereiche der Wissenschaft und der Technik Bedeutung und Interesse: Atomphysik, Optik, Nachrichtentechnik, Materialbearbeitung und Medizin. Theorie des Lasers und Ergebnisse experimenteller Untersuchungen werden in einer für Fachleute der obengenannten Disziplinen verständlichen Sprache der „klassischen" Physik beschrieben. Die Sprache der Quantenmechanik wird nur an wenigen Stellen benutzt.
Auf eine phänomenologische Beschreibung des Lasers im 1. Kapitel folgt eine Einführung in die Physik der Spektren. Die Kapitel 3 und 4 behandeln einige allgemeine Grundlagen, optische Resonatoren und Dynamik der Vorgänge im Laser. Die drei nächsten Kapitel dienen der Beschreibung der Eigenschaften der drei wichtigsten Laserarten, Fest-

körperlaser, Gaslaser und Halbleiterlaser, durch Theorie und experimentelle Ergebnisse. Für das letztgenannte Kapitel über Halbleiterlaser wird eine gewisse Kenntnis der Grundlagen der Physik der Halbleiter vorausgesetzt. In den weiteren Kapiteln werden Spezialfragen behandelt, die mit der Erfindung des Lasers besonders aktuell geworden sind. Dies sind insbesondere die Probleme der Modulation, der Kohärenz, des Rauschens, der Linienbreite sowie die vielfältigen Möglichkeiten des Einsatzes von Lasern Im Laboratorium und in der Technik.
Das Werk nimmt eine Mittelstellung ein zwischen Lehr- und Handbuch; es enthält u. a. umfangreiche Tabellen physikalischer und technischer Daten sowie ausführliche Literaturangaben. Die Herausgeber und Verfasser haben die zur Beschreibung der von ihnen verfaßten Beiträge erforderlichen Erfahrungen in etwa fünfjähriger gemeinsamer Arbeit Im Forschungslaboratorium München der Siemens AG gewonnen.

Inhaltsverzeichnis

(ungefähre Wiedergabe)

1 Phänomenologische Beschreibung und Übersicht (KLEEN)
Literatur

2 Atomphysikalische Grundlagen laseraktiver Stoffe (ROSENBERGER)
2.1 Einleitung
2.2 Das Einelektronensystem
2.2.1 Empirischer Befund
2.2.2 Bohrsches Atommodell
2.2.3 Hauptquantenzahl, Termschema
2.2.4 Quantenmechanische Beschreibung
2.2.5 Nebenquantenzahlen 1 und ml, Bahndrehimpuls
2.2.6 Spinnquantenzahlen s und ms
2.3 Mehrelektronensysteme
2.3.1 Bezeichnung von Elektronenkonfigurationen
2.3.2 Verschiedene Kopplungstypen
2.4 LS-Kopplung
2.4.1 Kopplung von Bahndrehimpulsen
2.4.2 Kopplung von Spindrehimpulsen
2.4.3 Kopplung der Bahn- und Spindrehimpulssysteme
2.4.4 Multiplizität und Termbezeichnung
2.4.5 Termfolge
2.4.6 Grundterme
2.4.7 Richtungsentartung
2.5 Edelgasspektren, Racah-Kopplungsschema
2.5.1 Überblick
2.5.2 Racah-Kopplungsschema
2.5.3 Paschensche Bezeichnung der Edelgasniveaus
2.6 Die Spektren der Seltenen Erden
2.7 Auswahlregeln für strahlende Übergänge in freien Atomen und Ionen
2.8 Atome und Ionen im homogenen äußeren Magnetfeld (Zeemaneffekt)
2.8.1 Kopplung von Drehimpulsen und magnetischen Momenten
2.8.2 Aufspaltung der Energieniveaus und Auswahlregeln für strahlende Übergänge
2.9 Ionen im elektrischen Kristallfeld
2.9.1 Die Kristallfeldaufspaltung bei den Seltenen Erden
2.10 Molekülspektren
2.10.1 Überblick
2.10.2 Elektronenzustände von zweiatomigen Molekülen
2.10.3 Schwingungszustände von Molekülen
2.10.4 Rotationszustände von Molekülen
2.11 Besetzung und Übergangswahrscheinlichkeiten
2.12 Linienform
2.13 Linienintensität und Verstärkung
2.14 Querschnitte bei Stoßprozessen

3 Optische Resonatoren und Ausbreitungsgesetze für Laserstrahlen (GRAU) . . . .
3.1 Einführende Bemerkungen
3.2a Der Übergang vom Hohlraumresonator zum Fabry-Perot-Resonator
3.3 Der Fabry-Perot-Resonator
3.3.1 Die Integralgleichung des Fabry-Perot-Resonators
3.3.2 Analytische Lösung für den Fabry-Perot-Resonator
3.4 Der konfokale Resonator mit sphärischen Spiegeln
3.4.1 Die Integralgleichung des konfokalen Resonators
3.4.2 Diskussion der Lösung für den konfokalen Resonator
3.5 Allgemeine Resonatoren mit sphärischen Spiegeln
3.5.1 Einleitung
3.5.2 Der Strahlverlauf und die Resonanzbedingung
3.5.3 Das Stabilitätsdiagramm der Resonatoren mit sphärischen Spiegeln
3.5.4 Beugungsverluste in allgemeinen Resonatoren
3.5.5 Äquivalente Resonatoren
3.6 Anpassung und Abbildung Gaußscher Strahlen
3.7 Äquivalenz von Resonator und Linsenleitung. Blenden und Linsen im Resonator; Ringresonatoren
3.8 Unterdrückung unerwünschter Moden
Literatur

4 Der Laser als Verstärker und Oszillator (Güns)
4.1 Einleitung
4.2 Optische Verstärker
4.3 Nichtlineare Verstärkung, Sättigung
4.4 Die Schawlow-Townessche Anschwingbedingung für den Laseroszillator
4.5 Die Bilanzgleichungen
4.6 Das zeitliche Emissionsverhalten, Relaxationsschwingungen
4.7 Die Verteilung der Schwingungsenergie über die Länge des Laserresonators
4.8 Optimale Auskopplung
4.9 Zur Quantentheorie des Lasers
4.10 Die Bilanzgleichungen als Näherung der „neoklassischen" Gleichungen
4.11 Der Effekt der Frequenzverschiebung bei homogen verbreiterter Linie
4.12 Linienprofil und Laserfrequenz bei inhomogen verbreiterter Linie
4.13 Die Möglichkeit der Koexistenz mehrerer angeregter Eigenschwingungen
4.14 Spezielle Effekte
Literatur

5 Der optisch gepumpte Festkörperlaser (GÜRS)
5.1 Optisches Pumpen
5.1.1 Einleitung
5.1.2 Drei- und Vier-Niveau-Laser
5.1.3 Pumpquellen
5.1.4 Pumplichtreflektoren
5.1.5 Kondensoranordnungen
5.2 Resonanzstrukturen
5.3 Die für das Schwingungsverhalten eines Festkörperlasers maßgebenden Größen
5.3.1 Pumpleistung
5.3.2 Resonatorverluste
5.3.3 Linienbreite
5.3.4 Lebensdauer

5.4 Die Eigenschaften der Emission
5.4.1 Einleitung
5.4.2 Das zeitliche Emissionsverhalten
5.4.3 Die räumliche Verteilung der Schwingungsintensität und der Öffnungswinkel des Laserstrahls
5.4.4 Die Polarisation der Laserstrahlung
5.5 Der Festkörperlaser mit nur einer Eigenschwingung, „mode-selection"
5.5.1 Selektive Anregung des transversalen Grundmodes
5.5.2 Erzeugung nur einer longitudinalen Eigenschwingung
5.6 Der Riesenimpuls-Laser
5.6.1 Die Methoden der Impulserzeugung
5.6.2 Die Dynamik des Riesenimpuls-Lasers mit aktivem Schalter
5.6.3 Theorie des Lasers mit passivem Schalter
5.6.4 Geeignete Materialien für Riesenimpuls-Laser
5.6.5 Spektrum des Riesenimpuls-Lasers
5.7 Der kontinuierliche Festkörperlaser
5.7.1 Einleitung
5.7.2 Sonnengepumpte Laser
5.7.3 Kontinuierliche Rubinlaser
5.7.4 Kontinuierliche Granatlaser
5.8 Spektroskopische Daten der wichtigsten Kristalle und Gläser
5.9 Der reale Festkörperlaser mit Materialfehlern und thermischen Störungen
5.10 Flüssigkeitslaser
Tabelle: Werkstoffe und Daten von Festkörperlasern
Literatur

6 Der Gaslaser (ROSENBERGER)
6.1 Überblick
6.2 Erzielung von Besetzungsinversion
6.2.1 Anregungsmechanismen
6.2.2 Messung von Dichte und Energieverteilung der Elektronen
6.2.3 Energieverteilung und Dichte der Elektronen bei unterschiedlichen Entladungsformen
6.2.4 Lebensdauerbedingung
6.3 Der Helium-Neon-Laser
6.3.1 Überblick
6.3.2 Die Besetzung der oberen Laserniveaus 2 s und 3,9
6.3.3 Besetzung der unteren Laserniveaus 2p und 3p
6.3.4 Lebensdauern und Übergangswahrscheinlichkeiten; 2s-2p-Übergänge
6.3.5 3s-2p- und 3s-3p-Übergänge
6.3.6 Wechselwirkung verschiedener Laserübergänge, Kaskadenlaser
6.3.7 Verstärkung des He-Ne-Lasers
6.3.8 Die Sättigung der Verstärkung bei Oszillation
6.3.9 Leistungsdichte und optimale Ausgangsleistung des He-Ne-Lasers
6.3.10 Das Eigen- und Zwischenfrequenzspektrum des He-Ne-Lasers
6.3.11 Wechselwirkung gekoppelter Oszillationen
6.3.12 Oszillation und Kopplung von Eigenschwingungen beliebiger und unterschiedlicher Polarisation
6.3.13 Zeeman-Effekt im Helium-Neon-Laser
6.4 Laserübergänge in neutralen Gasen und Dämpfen (außer He-Ne)
6.4.1 Überblick
6.4.2 Neonlaser
6.4.3 Xenonlaser

6.4.4 Laser-Übergänge zwischen den Niveaus 2p und 1 s der Edelgase Neon, Argon, Krypton und Xenon
6.4.5 Laserübergänge in atomarem Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff
(Anregung durch Stöße 2. Art mit nachfolgender Dissoziation)
6.5 Zonenlaser
6.5.1 Überblick
6.5.2 Edelgas-Ionen-Laser
6.5.3 Quecksilber-Ionen-Laser
6.6 Laserübergänge in Molekülen
6.6.1 Überblick
6.6.2 Laserübergänge zwischen Rotations-Schwingungstermen linearer Moleküle; C02-Laser
6.6.3 Elektronenbandenübergänge in Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenmonoxyd
6.7 Gaslaser mit speziellen Anregungsmechanismen
6.7.1 Anregung durch optisches Pumpen; der Cäsiumdampf-Laser
6.7.2 Anregung durch Photodissoziation
6.7.3 Anregung durch chemische Reaktionen
6.8 Praktische Ausführungsformen von Gaslasern
6.9 Stabilisierung der Frequenz von Gaslasern
Tabelle: Laserübergänge in Atomen, Ionen und Molekülen
Literatur

7 Der Halbleiterlaser (WINSTEL)
7.1 Einleitung und historischer Überblick
7.2 Grundlagen
7.2.1 Elektronen im Halbleiter
7.2.2 Elektronenübergänge im Halbleiter
7.2.3 Strahlende Band-Band-Übergänge
7.2.4 Emissions- und Absorptionsspektren
7.2.5 Rekombinationsrate und Trägerlebensdauer
7.2.6 Die Laserbedingung
7.3 Physik des Injektionslasers
7.3.1 Anregungsarten
7.3.2 Laserbedingung für den realen Halbleiterlaser
7.3.3 Der Schwellenstrom beim Diodenlaser
7.3.4 Wellenausbreitung im Diodenlaser
7.3.5 Schwingungsmoden beim Diodenlaser
7.3.6 Zeitverhalten der Emission eines Diodenlasers
7.4 Spezielle Eigenschaften von Injektionslasern
7.4.1 Einfluß von Magnetfeld und mechanischen Spannungen
7.4.2 Herstellungsverfahren für Diodenlaser
7.4.3 Aufbau optimaler Diodenlaser für hohe Betriebstemperaturen
7.4.4 Der Elektronenstrahl-Injektionslaser
Tabelle: Kenndaten verschiedener für Laser interessanter Halbleitermaterialien
Literatur

8 Modulationsverfahren (MÜLLER)
8.1 Einleitung
8.2 Externe Modulationsverfahren
8.2.1 Elektrische Doppelbrechung in Kristallen vom Typ XH2PO4
8.2.2 Phasenmodulation von Licht

8.2.3 Amplitudenmodulation von Licht mit Hilfe des linearen elektrooptischen Effektes
8.2.4 Einseitenband-Modulation, Frequenzversetzung
8.2.5 Lauffeldmodulatoren
8.2.6 Modulatoren unter Verwendung optischer Resonatoren
8.2.7 Ablenkmodulation
8.2.8 Weitere zur Modulation geeignete Effekte
8.3 Interne Modulation
8.3.1 Niederfrequenzmodulation -Quasistationäre Betrachtungsweise
8.3.2 Abgestimmte Hochfrequenzmodulation
8.3.3 Modulationsverfahren, die nur für die interne Modulation geeignet sind
8.4 Auskoppelmodulation
8.5 Demodulation
Literatur

9 Rauschen und Kohärenz im optischen Spektralbereich (GRAU)
9.1 Grundlagen des Quantenrauschens
9.1.1 Der Begriff der Moden im Strahlungsfeld
9.1.2 Unschärferelation und Quantenrauschen
9.1.3 Berechnung des Quantenrauschens
9.1.4 Das minimale Rauschen bei verschiedenen Empfangsverfahren
9.1.5 Die Photonenverteilung von Signal, Rauschen und deren Superposition
9.2 Rauschen von Quantenverstärkern. Informationstheorie
9.2.1 Einleitung
9.2.2 Berechnung des Verstärkerrauschens
9.2.3 Der maximale Transinformationsgehalt im Quantenbereich
9.2.4 Abschließende Bemerkungen
9.3 Kohärenzeigenschaften optischer Felder
9.3.1 Einleitung
9.3.2 Der klassische Kohärenzbegriff
9.4 Das Rauschen von Laseroszillatoren
9.4.1 Einleitung
9.4.2 Qualitative Betrachtungen zum Oszillatorrauschen
9.4.3 Die lineare Theorie der Linienbreite
9.4.4 Die nichtlineare Theorie der Linienbreite
9.5 Messungen an optischen Feldern
9.5.1 Die Verteilung der Photoelektronen
9.5.2 Das Spektrum des Photostromes
9.5.3 Praktische Beispiele-für Photoelektronenverteilungen
9.5.4 Streuung der Photoelektronenanzahl bei Beleuchten eines Detektors mit Gaußschem Licht und nichtidealem Laserlicht
9.5.5 Das Spektrum des Photostromes bei Beleuchten eines Detektors mit Gaußschem Licht und nichtidealem Laserlicht
9.5.6 Koinzidenzmessungen
9.5.7 Experimente mit Laserlicht
Literatur

10 Anwendungen
10.1 Nachrichtenübertragung (MÜLLER) Literatur
10.2 Übertragungsleitungen für Lichtstrahlen (GRAU) Literatur

10.3 Ortung (MÜLLER)
Literatur
10.4 Optische Datenverarbeitung (MÜLLER)
Literatur
10.5 Holographie (GRAU)
Literatur
10.6 Kurzzeitphotographie (GÜRS)
Literatur
10.7 Nichtlineare Optik (GRAU)
10.7.1 Einleitung
10.7.2 Grundlegende Beziehungen
10.7.3 Effekte zufolge des Tensors X² (ijk)
10.7.4 Effekte zufolge des Tensors X³ (ijkl)
10.7.5 Weitere nichtlineare Effekte
Literatur

10.8 Plasmaerzeugung und -diagnostik (GÜRS)
Literatur

10.9 Materialbearbeitung (GÜRS)
Literatur

10.10 Medizinische und biologische Anwendungen (MÜLLER)
Literatur

10.11 Präzisionsmessung geometrischer und mechanischer Größen (GÜRS)
Literatur

Sachverzeichnis

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