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