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LasertechnikDr. Ralf Brinkmann
Institut für Biomedizinische Optik (BMO) Universität zu Lübeck
undMedizinisches Laserzentrum Lübeck GmbH (MLL)
Vorlesung Lasermedizin, SS 2012
4.4.2012
MLL
Entstehung von Laserstrahlung
Charakterisierung von Laserstrahlung
Lasertypen und Lasermedien
Was ist Licht ?
Elektromagnetische Strahlung
Elektromagnetisches Spektrum
Optisches Spektrum
Elektromagnetisches Spektrum
-Wechsel zu LASER
Lichtentstehung LASER
LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation
Licht-verstärkung
durchinduzierte Emission
von Strahlung
LASER
Der Weg zum Laser
The first laser build
Historischer Überblick
•1916 Postulation of stimulatedemission* Einstein
•1928 Experimental proof of Ladenburgstimulated emission Kopfermann
•1950 Experimental proof of inversion Purcel, Pound•1951/1955 Suggestion to use stimulated Fabrikant, Weber,
emission for amplification Basov,Prochorov•1953 NH3-Maser (12,7 mm wavelength) Townes•1958 Suggestion to use stimulated Schawlow, Townes
emission 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
Absorption
Wahrscheinlichkeit der Absorption
spontaneEmission
spontaneEmission
Induzierte Emission
Das induziert emittierte Photon ist in Abstrahlrichtung, Wellenlänge, Polarisation und Phase identisch zuminduzierenden Photon!
Induzierte Emission
Induzierte Emission Absorption
=
Induzierte Emission
Nur wahrscheinlich wenn:
1. Hohe Lebensdauer des oberen Zustands2. Starkes Photonenfeld
Lichtverstärkung durch induzierte Emission
LASER - Resonator
LASER - Anregung durch Licht
LASER – Anregung durch Licht
Beispiel: gepulster Farbstofflaser
TermschemaNd:YAG
LASER - Anregung durch Stöße
TermschemaHeNe
Besetzungsinversion
Nur wahrscheinlich wenn:1. Hohe Lebensdauer des oberen Zustands2. Starkes Photonenfeld3. Geringe Lebensdauer des unteren Zustands
Voraussetzung für Verstärkungdurch induzierte Emission,d.h. Laseremission
Besetzungsinversion
Keine Inversion möglich!
Bei Gleichbesetzung N2=N1 ist Medium transparent. Übergangs-wahrscheinlichkeiten für Absorptionund induzierte Emission sind gleich!
Ytterbium Termschema
Thermaschema Neodym (in YAG)
Laserstrahlung
Gauß‘scher Strahl
Resonatoren
Resonatoren
Resonatoren
Resonatoren
Bedingung für Vielfach-Umlauf
Gesucht:Stabile elektromagnetische Feldverteilung, die die Maxwell-Gleichungen und die Randbedingungen (Nullstelle auf Spiegel) erfüllt.
Gauß’scher Strahl
Laser-Strahlprofil - Strahlquerschnitt
Gauß‘scherStrahl
Bestrahlungsstärke I als Funktion von r, z
Laser-Strahlprofil - Strahlquerschnitt
Gauß‘scherStrahl
Fundamentalmode (TEM00 ) –Gauß’scher Strahl
phase front
2 w0
(confocal resonator L=R)
z
stable cavity, (e.g. confocal resonator)
0w
R: Krümmungsradius der Wellenfront
Gauß’scher Strahl
Fokussierung Gauß’scher Strahlen
Geometrische Optik
Wellenoptik
f
beam parameter product:
F-number:(focal length / beam diameter on lens)
lwfF
2
.0 constw
Wl
focus beam waist wf:lens beam diameter wlapproximation for f >> wl
fwl
f Fwfw
lf
2
0wideal Gauss mode:
depth of focus: (beam waist = 2 wf area = 2 minimal spot size)
22 ff
wl
Fokussierung Gauß’scher Strahlen
2wo 2wf f
Lasermoden
Resonatormoden - longitudinal
qLc
2
Lc
res 2
Longitudinaler Modenabstand
Lres 2
20
Mögliche Wellenlängen in einem Resonator:
q*/2=LRes q=1,2,3...Stehwellenresonator:
Ringresonator: keine Beschränkung
refle
ctiv
ity optical resonator
fluor
esce
nce
outp
ut
active material
lase
r pow
er laser output
threshold for laser activity
laser < lfluorescence
Lres 2
20
Lasermoden - longitudinal
Wellenlänge
Laser-Strahlprofil - Strahlquerschnitt
TEM11
Gauß‘scherStrahl
TEM11
Gauß‘scherStrahl
Resonatormoden - transversal
linearly polarized resonator mode configurations for rectangular mirrors
TEM00 TEM20TEM10
TEM01 TEM21TEM11
TEM02 TEM22TEM12
TEM11
Eigenschaften von Laserstrahlung
Was ist wesentlich für die medizinische Anwendungen?
Bestrahlungsstärke
Bestrahlungsstärke (Intensität)
W
m2
J
m2 * s=
Energie
Zeit * Fläche
Bestrahlungsstärke
Wirkung von Laserstrahlung auf Gewebe
capsulotomylithotripsy
PRKTMLR / ELR
LITTRPE / retina
PDT
Pulse duration / s
Intensity W/cm²
1012
109
106
103
100
10-3
10-12 10-9 10-6 10-3 100 103
10 J/cm²3
1
10-3
Disruption
Ablation
Coagulation
Photochemistry
Diagnosticsm-photon-micr.
OA-spectr.OCT
Pulsdauer: kontinuierlich1. Kontinuierliche Emission
Pulsdauer: freilaufend2. Gepulste Emission
Auskoppel-spiegel
Laser-puls
Laserstab
Endspiegel
Blitzlicht
Laserpuls
Blitzlicht
a. freilaufend Pulsdauer: Blitzdauer (µs-ms)
Pulsdauer: Güteschaltung2. Gepulste Emission
Blitzlicht
Laserpuls
Shutter
Auskoppel-spiegel
Laser-puls
Laserstab
Endspiegel
Blitzlicht
b. gütegeschaltet (Q-switched)Pulsdauer: 1 - 100 ns
Pulsdauer: Güteschaltung2. Gepulste Emission
Auskoppel-spiegel
Laserstab
dspiegelBlitzlicht
Pockels-zelle
HV+-
Resonator geschlossen
b. gütegeschaltet (Q-switched)mittels Pockeslzelle Pulsdauer: 1 - 100 ns
Pulsdauer: Güteschaltung2. Gepulste Emission
Blitzlicht
Laserpuls
Auskoppel-spiegel
Laserstab
EndspiegelBlitzlicht
Pockels-zelle
HV+-
Auskoppel-spiegel
Laser-puls
Laserstab
EndspiegelBlitzlicht
Pockels-zelle
Resonator geschlossen
Resonator offen
b. gütegeschaltet (Q-switched)mittels Pockeslzelle Pulsdauer: 1 - 100 ns
HV an HV aus
Pulsdauer: Modenkopplung2. Gepulste Emission
c. modengekoppeltPulsdauer: 5 fs - 100 ps
Modenkopplung am
plitu
de
total
q,q+1
Prinzip der Modenkopplung
Modenkopplung am
plitu
de
total
q,q+1
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.515dj =2p D€€€€l
10
20
30
long. modes
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€l
102030405060
I,E
Random phase relation
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€l
- 1
1
2
3long. modes
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€
l- 1
1
2
3
4I,E
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€l
- 1
1
2
3
4
5long. modes
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€
l
2
4
6
8
I,E
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€
l
2
4
6
8
long. modes
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€l
5
10
15
20
25I,E
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€
l
10
20
30
long. modes
- 2.5 2.5 5 7.5 1012.5 15dj =2p D€€€€l
100
200
300
400I,E
Fixed phase relation
Prinzip der Modenkopplung
ampl
itude
time
tpulsestpulses= 2L / c
equals round trip time;
pulse repetition
frequency:
prf = 1 / tpulses = c / 2L
width of individual pulses:
p
1,
112
1
qqp n
(n: number of modes involved)
totalp
1
Modenkopplung
Prinzip der Modenkopplung
active mode coupling with modulatormodulated gainmodulation period equal to round trip time
passive mode coupling with saturable absorberdye cell directly contacted to 100% mirror
Modenkopplung
Realisierung der Modenkopplung
Pulsdauer (Überblick)Time Exponent S =c ·t Distance Laser
1 s 1 3·108 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-linear broadening of the spectrum
Eigenschaften von Laserstrahlung
Eigenschaften von Laserstrahlung
Eigenschaften von Laserstrahlung
starke Fokussierung sehr hohe Intensität
Präzise Materialbearbeitung mit Lasern
Lichtwellenleitung
Laserlithotripsie
Interferenz von kohärenten Wellen
0
0.5
1
40 30 20 10 0 10 20 30 40
x [µm]
I(x)
,A(x
)
Intensitätsmodulation
Lichtquelle
Detektor
Referenzarm
Proben-arm IP
IRStrahl-teiler
IM
Optische Kohärenztomographie (OCT)Beispiel: Fingerspitze
1 mm x 1,5 mm
OCT-Aufnahme Histologie
Lasermedien
Wellenlängen bedeutender Laser
Excimere (193, 308 nm)
optisches Fenster
Diodenlaser (630 - 980 nm)
Lasermedien
FestköperlaserStablaser (Nd:YAG, Nd:YLF, Ti:Saphir, Alexandrit....)Scheibenlaser (Yb:Glas)Faserlaser (Yb:YAG)
Gaslaser (HeNe, Argon-Ionen, CO2, Excimer)
Farbstofflaser (Rhodamine, Coumarine)
Halbleiterlaser / Laserdioden (AlGaAs....)EinzelemitterStreifenBarrenStacks
Gaslaser – HeNe-Laser
Gaslaser CO2-Laser
Halbleiterlaser
Halbleiterlaser
Halbleiterlaser
Advantages• Small• Inexpensive• High efficiency (30-50%)• High power (kW)• Can be modulated up to 10 GHz• Long lifetime
Disadvantages• Asymmetric beam profile (e. g. θx=10°, θy=30°)• High divergence• Low pulse energies
Halbleiterlaser
Halbleiterlaser
Festkörperlaser
Wichtigster Wirtskristall für Laser-Ionen
Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)
Laserkristalle
FestkörperlaserLongitudinale Pumpanregung
Festkörperlaser
Transversale Pumpanregung
Frequenzkonversion
E
r
Polarisation beschreibt Wechselwirkung eines elektrischen Feldes mit Materie
Optisches Medium
Lineare Auslenkung
E
Frequenzkonversion
E
r
Polarisation beschreibt Wechselwirkung eines elektrischen Felds auf Materie
nichtlineare Auslenkung
E
Frequenzverdopplung
Vielen Dank!
Prof. Raimund Hibst, Universität UlmProf. Günter Huber, Universität Hamburg
http://www.physnet.uni-hamburg.de/ilp/de/festkoerperlaser.html
Medizinisches Laserzentrum Lübeck MLL
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