optische spektroskopie und laserphysik - willkommen an der ... · was euch in der nächste stunde...

Optische Spektroskopie und Laserphysik

Dr. Cedrik Meier

Institut für Experimentalphysik

Was Euch in der nächste Stunde erwartet ...

•Der Laser•Was ist ein Laser?•Geschichte des Lasers•Eigenschaften von Laserlicht•Aufbau von Lasern•Verschiedene Lasertypen•Anwendungen von Lasern

•Optische Spektroskopie mit Lasern•Ein Beispiel: Halbleiter•Photolumineszenz von Halbleiterstrukturen

Was ist ein Laser?

LASER bedeutet ...

Light

Amplification by

Stimulated

Emission of

Radiationalso ...

Verstärkung von Licht ...

... durch ‚stimulierte Emission‘

... aber was genau bedeutet das?

Was ist ein Laser?

Schematischer Aufbau eines Lasers:

HochreflektierenderSpiegel

HochreflektierenderSpiegel

VerstärkendesMedium(Stimulierte Emission)

Resonator

‚Optisches Pumpen‘ ‚Optisches Pumpen‘

Geschichte des Lasers...

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

1917Albert Einstein

Stimulierte Emission

1954Townes, Basov und Prokhorov

Maser

1960Theodor Maiman

Rubin-Laser

1958Schawlow und Townes

Laser

1963Alferov und Krömer

Halbleiter-Laser

1980Chu, Cohen-Tannoudji, Phillips

Laser-Kühlung von Atomen

Eigenschaften von Laserlicht

Laserstrahlung ist anders als Licht aus der Glühlampe ...

Laserlicht ist...

...gerichtet

...kohärent,d.h. die einzelnen Wellenzügesind sehr viel längerals bei einer Glühlampe

...monochromatisch,d.h. nur eine Wellenlänge


Gerichtete EmissionLaserlicht weitet sich nur sehr wenig auf.

Beispiel:

Zur Bestimmung der Entfernung Erde – Mond (384.400 km)

wird ein Laserstrahl zum Mond geschickt.

Auf dem Mond ist der Strahlnur wenige Meter aufgeweitet.

Das entspricht einem Winkelvon einigen 10 Mikrograd.

Die Strahlung ist so stark gerichtet,weil die Spiegel in einem Laser so perfekt parallel ausgerichtet sind.

Dadurch wird nur das Licht verstärkt, das entlang der optischen Achse läuft.

Versuch


Gerichtete EmissionDie gerichtete Emission führt zu hohen Strahldichten:

Beispiel:•Glühlampe

P=100W, Entfernung r=2m

Leistungsdichte=P/A=P/4πr2=0,2mW/cm2

•Laser

P=10W, Strahldurchmesser d=2mm

Leistungsdichte=P/A=P/πd2=80W/cm2

•Bügeleisen

P=2000W, Fläche ca. 20cm x 10cm,

Leistungsdichte=P/A=10W/cm2

Versuch


Monochromatische Lichtquelle

Licht ist eine elektromagnetische Welle,d.h. das elektrische Feld des Lichts breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Der Welle ist eine Amplitude E0 (max. elektrisches Feld) und eine Wellenlänge λ(räumlicher Abstand zweier Maxima) zugeordnet.

E

E0

λ

Ausbreitungsrichtung

x

Licht als elektromagnetische Welle



Nur ein kleiner Ausschnitt des Spektrums ist sichtbares Licht.

Die Wellenlänge bestimmt die Farbe des Lichts.



Das weiße Licht der Glühlampe ist ein kontinuierliches Spektrumvom Infraroten über das Sichtbare bis ins Ultraviolette!

Nur ein kleiner Ausschnitt dieser Strahlung ist sichtbar.



Die Wellenlänge des Laserlichts wird bestimmt durch die spezifischen Eigenschaftendes ‚aktiven Mediums‘, als z. B. der Gasatome.

Diese verstärken das Licht nur auf bestimmten Wellenlängen.

Dadurch entstehen extrem scharfe Spektren auf nur einer einzigen Wellenlänge.

Daher der Begriff ‚monochromatisch‘ (griech. nur eine Farbe).

500 520 540 560 580 6000

10

20

30

40

50

60

70

80

Inte

nsitä

t I

Wellenlänge λ [nm]


Kohärente Strahlungsquelle

Was bedeutet Kohärenz?

E1

E0

Energieniveaus

Laserlicht is kohärent, weil es durch stimulierte Emission erzeugt wird.

Dadurch stehen alle erzeugten Lichtwellen in einer definierten Beziehung zueinander.

In einer Glühlampe wissen die Atome, die das Licht aussenden nichts voneinander.

Daher stehen die Lichtwellen nicht in einem geordneten Zusammenhang.



Die Kohärenz ermöglicht es,direkt die Wellennatur desLaserlichts zu beobachten.

Beispiel:

Beugung am Doppelspalt

φ

φ

∆

P



φ

φ

∆

P Gangunterschied ∆:

φ

φ

sin

sin

⋅=∆⇒

∆=

dd

∆=λ

Immer, wenn ∆ ein ganzzahliges Vielfaches von der Wellenlänge λ ist,findet konstruktive Interferenz statt.

φλ sin⋅=⋅ dk

∆=λ/2



Immer, wenn ∆=λ/2, 3λ/2, 5λ/2... ist, findet destruktive Interferenz statt.

Die Wellenzüge löschen sich gegenseitig aus.

Versuch



φ

φ

∆

PP

Optisches Gitter φλ sin⋅=⋅ dk

Da die Striche beim optischen Gitter kleinere Abstände haben,rücken die Maxima auseinander.

Verschiedene Wellenlängen werden auf verschiedene Winkel gebeugt→ Spektroskopie!

Versuch



Beugung und Interferenz an 2-dimensionalen Gittern

Komplexere Muster als Spalte oder Gitter ergeben komplizierte Beugungsmuster

Versuch

Verschiedene Lasertypen

Es gibt viele verschiedene Typen von Lasern:

•Gas-Laser

•CO2 Laser•Excimer Laser

•Festkörper-Laser

•Titan-Saphir-Laser

•Halbleiter-Laser•GaAs-Laser•GaN-Laser

•Argon-Ionen Laser•Helium-Neon Laser

•Nd-YAG Laser

Viele Laser nutzen atomphysikalische Prinzipien zur Funktion!


Wasserstoff-Atom

e-

p

•Das Wasserstoffatom kann sich nur instationären Energiezuständen befinden

.

•In diesen Zuständen wird keine Strahlung ausgesendet.

e-

e-

01

01

EEhc

hcE

EEE

−=⇒

=

−=

λ

λE1

E0

•Geht das Atom von einem Zustand höherer Energie in einenZustand niedriger Energie über, wird Licht ausgesendet.


Wasserstoff-Atom

Dementsprechend hat Wasserstoff ein Spektrum aus einzelnen, scharfen Linien.

1

2

345

In der Wasserstofflampe entsteht dasLicht durch spontane Emission.

Im Laser wird durch stimulierte Emission eine bestimmte Wellenlänge verstärkt.Die Emission der anderen Linien wird NICHT verstärkt.


In einem Laser verwendet man andere Atome (z. B. Neon, Argon) mitkomplizierteren Energieschemata.

Dabei nutzt man in der Regel 3 oder mehr Niveaus aus:

e- e- e- e- e- e- e- e- e- e-e- e- e- e- e-

Pumpen

Grundzustand

1. Angeregter Zustand

2. Angeregter Zustand

Laserlicht

Besetzungsinversion

Das obere Niveau ist viel stärker besetzt als das untere,so dass permanent Photonen produziert werden können.


Argon-Ionen Laser Aktives Medium:

Ar+ - Ionen

Elektronen werden von derKathode zur Anode beschleunigt.

Durch Stöße zwischen denElektronen und den Ionen werdendie Ar-Atome ionisiert und angeregt.

Die angeregten Ionen gehen in Zustände niedrigererEnergie über und senden dabei Licht aus.

Die Wellenlänge des Lichts ist durch die Differenzder Energien der einzelnen Zustände bestimmt.


Argon-Ionen Laser

Man kann den Argon-Ionen Laser auf verschiedene Wellenlängen einstellen.

Die stärkste Strahlung erhält man bei

488nm (blau)und 514.5nm (grün),

es sind aber noch anderegrüne, blaue und ultravioletteWellenlängen möglich.

Ein Prisma zerlegt das Lichtgemisch desArgon Lasers in die einzelnen Wellenlängen.

Der Wirkungsgrad von Argon-Lasern istsehr schlecht.

Für 10W Laserstrahlung braucht man rund55.000W elektrische Energie!


Halbleiter-Laser

Was ist eigentlich ein Halbleiter?

Ein Halbleiter ist ein Material, bei dem die elektrische Leitfähigkeiteingestellt werden kann.

Z. B. durch

•die Temperatur,•durch gezielte Verunreinigung des Materials (Dotierung), oder•durch Anlegen von Spannungen.

Beispiele für Halbleiter sind Silizium oder GalliumArsenid.


Halbleiter-Laser

Metall – Isolator – Halbleiter

Im Festkörper halten sich die Elektronen in Energiebändern auf.D.h. sie können nur Energien annehmen innerhalbbestimmter Intervalle (Bänder) annehmen.

Valenzband

Leitungsband

Bandlücke

Valenzband

Leitungsband

Bandlücke

Valenzband

Leitungsband

Metall Isolator Halbleiter

Elektronen

Löcher


Halbleiter-Laser

Aufbau einer Laserdiode

Strom / Leistungskurve

Anwendungen von Lasern

Natürlich in der Forschung zur Spektroskopie (s. später)

... Aber auch:

•Zum Schweißen (CO2 und Nd:YAG-Laser)

•In der Medizin:•Augenchirurgie•Kosmetik

•Messtechnik (Entfernung, Schichtdicken etc.)

•Unterhaltung (Lasershows / Diskotheken)

•CD / DVD / Blue Ray Disc

•Holografie•Langstrecken-Kommunikation

Photolumineszenz-Spektroskopie

Beispiel:

Quantentopfheterostrukturen

Frage:

Was passiert, wenn wir Elektronen in einen extrem kleinen Topf einsperren?

Elektronen lassen sich in der Quantenmechanik als Teilchen und Wellen beschreiben!

Ein Elektron hat also eine Wellenfunktion ψ(x).

Der Wert von |ψ(x)|2 gibt die Wahrscheinlichkeit an, das Elektron am Ort x zu finden.

d

Starre Wände:Das Elektron kann nicht in die Wände eindringen!⇒ψ(x)=0

Zwischen den Wänden wird das Elektron hin- und herreflektiert.

Die einzelnen Wellen überlagern sich zu einem Sinus.

Für die Wellenlänge gilt: λ=d/2

Photolumineszenz-SpektroskopieQuantentopfheterostrukturen

x-d/2 +d/2

⋅=

⋅=

xd

dxx

π

πψ

2cos

2cos)(

Wellenfunktion

In unserem Fall:dhp

d22

=⇒

=λ

Energie und Impuls hängen voneinander ab:mpE2

2

=

De-Broglie Beziehung verknüpft Wellenlänge und Impulsquantenmechanischer Teilchen!

=λ

ph

=λ

Damit folgt:

2

2

2

2

2

2/4

mdh

mdhE

=

=

Der Laser erzeugt in der ProbeElektronen und Löcher.

Nach einer gewissen Zeit ‚rekombinieren‘Elektron und Loch.

Dabei wird charakteristisches Lichtausgesendet.


Laserlicht

e-

h+

PL-Licht

Solche Quantentopfheterostrukturen können atomlagengenau hergestellt werden.

Beispiele:

GaAs/AlGaAs → CD / DVD-Player, Laserpointer

GaN → Blaue / UV Laser, Blue Ray Disc etc.

Si-Nanopartikel → Optoelektronik


In Quantentopfheterostrukturen hängt die Energie von der Dicke ab.

Das wird ausgenutzt, um die Wellenlänge von Halbleiterlasern maßzuschneidern!

2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2

4

6

8

10

Ene

rgie

[eV

]

D icke d [nm ]

Mithilfe derPhotolumineszenzspektroskopie (PL)können diese (und andere) Quanteneffekte gemessen werden.


Versuchsaufbau:

Laser

Linse

Probe

Linse

Strahlteiler

Gitterspektrometer

Detektor

Spiegel

Inte

nsitä

t

Wellenlänge

720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 9200

10k

20k

30k

40kLaser:λ=514.5 nmP=2 mW

T=-196°C

T=20°C

Inte

nsitä

t [co

unts

]



Probe mit Quantentöpfen unterschiedlicher Dicke.

Je schmaler der Topf, desto größer die Energie,d.h. desto kürzer die Wellenlänge.


Beispiel: GalliumNitrid-Quantentopfschicht

320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 5200

100

200

300

400

500

PL

Inte

nsitä

t


3.8 3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 2.4

Energie E [eV]


Beispiel: Silizium-Nanopartikel

600 700 800 900 10000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.42.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

5.2nm

4.8nm

4.5nm

norm

aliz

ed P

L in

tens

ity

Wavelength λ [nm]

4.1nm

size effect

Energy E [eV]

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