Femtosekundenlaser: Einführung in die Technologie der ultrakurzen Lichtimpulse

270 Pages·2005·4.866 MB·German

by  Dr. Klemens Jesse (auth.)

Klemens Jesse
Femtosekundenlaser
Klemens Jesse
Femto-
sekundenlaser
Einfuhrung in dieTechnologie
der ultrakurzen Lichtimpulse
Mit 39 Abbildungen
Sprin er
Dr. Klemens Jesse
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Vorwort
Seit den unermüdlichen Anstrengungen von Wissenschaftlern, Zeitphäno-
mene auf immer kürzeren Skalen messen zu wollen, ist man in einen Mik-
rokosmos vorgedrungen, der immer kleinere und kompaktere Maße an-
nimmt. 1999 wurde der Nobelpreis für die schnellste Zeitlupenkamera der
Welt vergeben, an einen Physiko-Chemiker vom California Institute of
Technologie, den gebürtigen Ägypter Ahmed Zewail, der seiner Meinung
nach mit guten Genen ausgestattet wurde, welche ihm zu seinen Erfolgen
verhalfen, und der erstmals in der Geschichte der Kurzzeitphysik tiefere
Einblicke in die Abläufe einer vorher unzugänglichen Welt von Molekülen
und Atomen gestattete. Möglich machen dies Femtosekundenlaser, und sie
sind im Begriff, die internationalen Märkte zu erobern. Dieses Buch ge-
währt zunächst einen Einblick in die theoretischen Grundlagen der neuen,
alle möglichen Anwendungen revolutionierenden Technologie, um dann
die Vorzüge von Femtosekundenlasern – von der schmerzfreien Kariesent-
fernung, hochpräzisen Materialbearbeitung bis hin zur Augenmedizin oder
dem Automobilbau darzustellen. Femtosekundenlaser arbeiten mit ultra-
kurzen Lichtimpulsen, die nur einige Millionstel Teile einer Milliardstel
Sekunde andauern. Sie können Materialien sehr exakt und mit deutlich ge-
ringerer Wärmebelastung als andere Laserarten behandeln. Auch Aspekte
der Femtosekundentechnologie wie die Herstellung, Sensorik und Optoe-
lektronik werden von den Wissenschaftlern ins Auge gefasst. Die opti-
schen Technologien werden in der nächsten Dekade, wie von Analysten
vorhergesagt wird, weltweit auf ein Marktvolumen von etwa 800 Mrd. Eu-
ro anwachsen und viele sichere Arbeitsplätze schaffen. Ich möchte mit die-
sem Buch die Fundamente für Neueinsteiger legen, aber auch darüber hin-
aus gehende Informationen für den „Insider“ liefern. Das elektrische
Zeitalter ist im 21. Jahrhundert vom Foton abgelöst worden, und eine Re-
volution bahnt sich mit dem zeitlich kohärenten und korrelierten Licht an,
die verschiedenste Bereiche des heutigen Alltags berühren wird.
Bad Homburg, im Winter 2004 Klemens Jesse
Inhalt
1 Einleitung..............................................................................................1
2 Geschichte der Kurzzeittechnik..........................................................3
3 Theoretische Grundlagen...................................................................11
3.1 Methoden der Erzeugung..............................................................13
3.1.1 Aktives Modenkoppeln.........................................................17
3.1.2 Passives Modenkoppeln........................................................19
3.1.3 Phasen-Modulation................................................................21
3.1.4 Code-Pulse-Modelocking......................................................21
3.1.5 Synchrones Pumpen..............................................................23
3.1.6 Hybride Modenkoppel-Techniken........................................26
3.1.7 „Moving Mirror“-Modenkoppeln.........................................26
3.1.8 Feedback Controlled Modelocking.......................................27
3.1.9 Optische Kompressionstechniken.........................................28
3.2 Ausbreitungseigenschaften von ultrakurzen Impulsen.................32
3.3 Nichtlineare optische Effekte........................................................35
3.3.1 Frequenzverdopplung............................................................39
3.3.2 Frequenzverdreifachung........................................................41
3.3.3 Selbstfokussierung................................................................43
3.3.4 Selbstphasenmodulation........................................................44
3.3.5 Vierwellen-Mischen..............................................................45
3.3.6 Raman-induzierter Kerreffekt...............................................47
3.3.7 Mehrfotonenprozesse............................................................48
3.4 Techniken zur Messung von Femtosekundenereignissen.............50
3.4.1 Anrege- und Nachweistechniken..........................................50
3.4.2 Anrege-Entleere-Nachweistechnik........................................52
3.4.3 Fotonenecho..........................................................................53
3.4.4 Z-Scan-Methode....................................................................54
3.4.5 Transiente Absorption...........................................................56
3.4.6 Kontinuierlich arbeitende Lasersysteme...............................57
3.4.7 Lichtauswertetechniken in zeitaufgelösten Messungen........58
VIII Inhalt
4 Klassifizierung von Femtosekundenlasern.......................................61
5 Ultrakurzzeitlasertypen.....................................................................63
5.1 Festkörperlaser..............................................................................66
5.1.1 Der Titan-Saphir-Laser.........................................................66
5.1.2 Der Nd:YAG-Laser...............................................................74
5.1.3 Der Rubinlaser......................................................................76
5.1.4 Der Cr:LiSAF-Laser..............................................................78
5.1.5 Der Cr:YAG-Laser................................................................78
5.1.6 Der Cr:Forsterit-Laser...........................................................79
5.1.7 Der Pr:YLF-Laser.................................................................80
5.1.8 Modengekoppelte Faserlaser.................................................80
5.2 Gaslaser.........................................................................................83
5.3 Flüssigkeitslaser............................................................................87
5.3.1 Der Farbstofflaser..................................................................87
5.3.2 Distributed Feedback Dye Laser...........................................91
5.4 Der Freie-Elektronen-Laser..........................................................92
6 Charakterisierung von Femtosekundenpulsen................................95
6.1 Pulsspektrum.................................................................................95
6.2 Messung der Pulsdauer.................................................................96
6.2.1 Autokorrelation.....................................................................97
6.2.2 Kreuzkorrelation.................................................................103
6.2.3 Stroboskopie........................................................................104
6.2.4 Die Streakkamera................................................................105
7 Femtosekundenoptiken und -instrumente......................................109
7.1 Femtosekundenoptiken...............................................................109
7.1.1 Spiegel.................................................................................110
7.1.2 Interferenzfilter...................................................................110
7.1.3 Das Lyot-Filter....................................................................111
7.1.4 Das λ/4-Plättchen................................................................112
7.1.5 Brewster-Polarisatoren........................................................112
7.1.6 Glan-Thompson-Prisma......................................................113
7.1.7 Pellin-Broca-Prisma............................................................114
7.1.8 Die Keramikapertur.............................................................114
7.1.9 Die Dünnschichtpolarisatoren.............................................114
7.1.10 Die Pockelszelle..................................................................114
7.1.11 Die Kerrzelle.......................................................................115
7.1.12 Der Faraday-Modulator.......................................................116
7.1.13 Akustooptischer Modulator.................................................116
7.1.14 Nichtlineare Optik...............................................................117
7.1.15 Adaptive Optik....................................................................118
Inhalt IX
7.2 Femtosekundeninstrumente........................................................119
7.2.1 Verstärkersysteme...............................................................120
7.2.2 Optisch parametrischer Oszillator/Verstärker.....................127
7.2.3 Strecker und Kompressor....................................................129
7.2.4 Der Cavity-Dumper.............................................................130
7.2.5 Monochromatoren...............................................................131
7.2.6 Mikroskope.........................................................................132
7.2.7 Fabry-Perot-Interferometer.................................................134
7.2.8 Gires-Tournois-Interferometer............................................135
7.2.9 Michelson-Interferometer....................................................136
7.2.10 Femtosekunden Sagnac Interferometrie..............................137
8 Anwendungen von Femtosekundenlasern......................................139
8.1 Femtowissenschaft......................................................................139
8.2 Femtochemie...............................................................................141
8.3 Femtobiologie.............................................................................169
8.4 Attophysik...................................................................................179
8.5 Medizin.......................................................................................184
8.6 Pharmazie....................................................................................191
8.7 Spektroskopie..............................................................................192
8.8 Materialforschung.......................................................................197
8.9 Verbrennungsforschung..............................................................199
8.10 Telekommunikationstechnik.......................................................200
8.11 Nanotechnologie.........................................................................207
8.12 Umwelttechnik und Meterologie................................................210
8.13 Kalter Abtrag von Korrosionen...................................................212
8.14 Messtechnik................................................................................213
8.15 Optoelektronik............................................................................214
8.16 Datenverarbeitung.......................................................................217
8.17 Femtonik.....................................................................................219
8.18 Clusterphysik..............................................................................220
8.19 Oberflächen- und Grenzflächenphysik.......................................222
8.20 Plasmaphysik..............................................................................224
9 Ausgewählte Beispiele......................................................................227
10 Ausblick.............................................................................................239
Literatur.................................................................................................241
Glossar....................................................................................................247
Sachverzeichnis......................................................................................263
1 Einleitung
Die Kunst der Hochgeschwindigkeitsfotografie nahm 1877 ihren Anfang,
als Eadweard Muybridge als Ergebnis einer Wette eine Reihe von
Schnappschüssen von einem galoppierenden Pferd aufnahm, um zu bewei-
sen, dass das Pferd zu einem Zeitpunkt alle Hufe in der Luft hatte. Indem
man die Bewegung des Pferdes einfriert, kann man auf direkte Weise die
Bilder studieren und etwas übers Galoppieren lernen. Die ultrakurze Zeit-
skala von Femtosekunden ist die Zeitskala von elementaren chemischen
Reaktionen und von elektronischen und Kernbewegungen in Molekülen:
wenn chemische Bindungen in chemischen Reaktionen gebildet oder
gebrochen werden, wenn Moleküle sich umordnen, um neue Moleküle zu
bilden, oder wenn Energie von einem Molekül zum anderen transportiert
wird, passieren all diese Prozesse auf einer Femtosekundenskala. Daher
beruht das fundamentale Verständnis von chemischen oder biologischen
Vorgängen letztendlich auf einem gründlichen Verständnis der ultrakurzen
Prozesse.
Die rasche Entwicklung der Pikosekunden- (1 ps = 10-12 s) und Femto-
sekundentechnik (1 fs = 10-15s) seit den Siebzigerjahren gestattete, rasch
ablaufende, fundamentale Vorgänge innerhalb der Materie zu untersuchen.
Jahrtausende lang hat die Menschheit versucht, Vorgänge auf einer immer
feineren Zeitskala zu verfolgen. Wird die aus dem entfernten Weltraum
beobachtete Erdkugel bis auf ein einziges Atom oder Molekül auf der Erd-
oberfläche „gezoomt“, so erlebt man eine Reise im Raum um 15 Größen-
ordnungen. Eine analoge Reise entlang der Zeitkoordinate erlauben ultra-
kurze Laser und zwar in eine Welt, in welcher einzelne Molekül-
schwingungen, das dynamische Verhalten der Elektronen in Halbleitern
oder auch der zeitliche Ablauf der Fotosynthesereaktion beobachtet wer-
den können. Zurzeit ist es möglich, mit einfachem Aufwand Lichtimpulse
im Sichtbaren und im nahen Ultraviolett mit Dauern von nur wenigen opti-
schen Zyklen zu erzeugen. Mit der Erfindung der Femtosekundentechnik
bahnte sich eine Revolution in der Evolution geformter Pulse an. Es gelang
nicht nur das Studium der grundlegenden Dynamik der chemischen Bin-
dung, die kohärente Kontrolle mit geformten Laserimpulsen und die Op-
timierung von Produktionsabläufen, sondern auch gänzlich neue Gebiete
entstanden, wie die „Femtochemie“ oder „Femtobiologie“. Optische Tech-
2 1 Einleitung
nologien gelten als Schrittmacher für viele Zukunftsmärkte des 21. Jahr-
hunderts und die Märkte mit Lasern und Optik wachsen unaufhaltsam. Die
gezielte Synthese hochreiner Arzneistoffe in hoher Ausbeute und das ohne
störende Nebenprodukte, d.h. ein primärer Wunsch von Pharmaforschern
könnte dank des „lernfähigen“ Femtosekundenlasers bald Wirklichkeit
werden. Die effiziente Herstellung von Werkteilen im Automobilreich oh-
ne Schmelzschäden und die Optimierung der Verbrennung im Motorraum
mit Hilfe hochqualitativer Düsen, das Verhindern des thermischen Aus-
fransens beim Bohren mit Femtosekundenlasern, die gezielte Hautkrebs-
bekämpfung und vor allem neue Methoden in der nichtlinearen Optik, in
den Materialwissenschaften und der Spektroskopie seien hier zu nennen.
Die Femtosekundenspektroskopie kann interessante Aspekte von der Inter-
ferenz freier Elektronen bis hin zu wachsenden Sonnenblumen aufzeigen.
Gegen Ende des zwanzigsten Jahrhunderts wurde das neue Instrument
entwickelt: der Femtosekundenlaser liefert ultrakurze Lichtblitze, mit wel-
chen nicht nur chemische Reaktionen in Echtzeit beobachtet werden kön-
nen, sondern auch Reaktionsmechanismen und die Formung freier Elekt-
ronenwellenpakete in das Blickfeld der Physiko-Chemiker rücken. Dabei
spielen über evolutionäre Verfahren geformte Laserpulse eine besondere
Rolle. Diese „schlauen“ Fotonen revolutionären zurzeit viele Forschungs-
gebiete in Physik, Chemie, Biologie und Technik. Bei geringen Pulsener-
gien und hoher Zeitauflösung besitzen Femtosekundenlaser extrem hohe
Intensitäten. Diese Eigenschaften eröffnen Portale in der nichtlinearen
Spektroskopie und in Biologie und Medizin. Der Femtosekundenlaser ist
nicht nur ein faszinierendes Gerät geworden, sondern die technische Revo-
lution im 21. Jahrhundert, deren Möglichkeiten nicht ausgeschöpft sind.
2 Geschichte der Kurzzeittechnik
Die Zeit ist die als Übergang von Gegenwart zu Vergangenheit und von
Zukunft zu Gegenwart erlebte allgemeinste Form der Veränderungen in
der Natur (objektive Zeit), im menschlichen Bewusstsein (Erlebniszeit)
und in der Geschichte (historische Zeit). Die Zeitmessung ist aus der Ast-
ronomie hervorgegangen und durch die Entwicklung der Uhr fortschrei-
tend verfeinert worden. Im Folgenden sollen zuerst einige historische
Konzepte untersucht werden, die der Messung schneller Phänomene
zugrunde liegen. Wir wollen auch versuchen aufzudecken, warum For-
scher und Ingenieure in der Vergangenheit an raschen Abläufen interes-
siert waren, und wie einige ihrer Motive und Verfahren sich von heutigen
unterscheiden. Es soll die Frage beantwortet werden, warum Femtosekun-
den-Lichtquellen so attraktiv geworden sind und wohin die Märkte in Zu-
kunft tendieren. Um ein Intervall von kurzer Dauer messen zu können,
muss man in erster Linie in der Lage sein, Zeit zu messen. Dies kann ge-
schehen, indem man einen periodischen Vorgang wie z.B. das Verstrei-
chen eines Tages immer wieder misst. Die Priester in Mesopotamien und
in Ägypten waren die ersten Gelehrten um 2025 v. Ch., die kürzere aber
auch längere Zeitabschnitte messen konnten. Der erste Kalender eines Jah-
res wurde mit einem sog. Gnomon, das zu den ersten astronomischen
Werkzeugen gehörte, realisiert. In den ägyptischen Städten war die Son-
nenuhr mit dem senkrechten Steinobelisk öffentlich zugänglich. Um 1580
v. Ch. verwendeten die Ägypter bereits eine Wasseruhr, die mit Hilfe der
fallenden Tropfen verhältnismäßig präzise die Zeit maß. Ein Fortschritt der
Sonnenuhren war die 730 v. Ch. unter dem König der Juden Achas ge-
baute große Sonnenuhr, die im Unterschied zu den bisher üblichen Son-
nenuhren mit der senkrechten Schattenstange eine Stange parallel zur Erd-
achse aufwies. In Griechenland musste jedem Redner vor Gericht die
gleiche Redezeit zugewiesen werden, was mit einem Gerät namens
KLEPSYDRA ermöglicht wurde, d.h. durch das Abtropfen des Wassers
aus einem Saugheber. Um 850 n. Ch. fertigte Pazificus, Priester aus Vero-
na, die erste mechanische Raduhr an, angetrieben durch ein langsam sin-
kendes Gewicht. Im 11. Jahrhundert wurde die Schlaguhr erfunden, die nur
einmal zu einer bestimmten Stunde schlug. 1288 besaß der Londoner
Westminster seine erste Turmschlaguhr. Nach dem Jahre 1290 wurden