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Ultrakurze Lichtimpulse - Fakultät 06 - Hochschule München

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Lehrversuch:

Lehrversuch: Beeinflussung und Messung ultrakurzer Lichtimpulse Motivation Das erste photografische Bild eines laufenden Pferdes löste auf, dass dieses zu einem bestimmten Zeitpunkt mit keiner Hufe Kontakt zum Untergrund hat und somit durch die Luft fliegt. Fasziniert von diesen Einblicken in die Vorgänge der Natur, entstanden so immer neue Techniken um die Belichtungszeit zu verkürzen und somit das aufzeichenbare Ereignis ebenso zu minimieren. Dabei spielte gerade die Entwicklung der Laser in den letzten Jahrzehnten eine wichtige Rolle. Ultrakurze Pulse erstrecken sich in einem Bereich von Pico- bis Attosekunden. So gelang es, mithilfe ultrakurzer Laserpulse, das kürzeste jemals vom Menschen erzeugte und gemessene Ereignis von 80 Attosekunden (Stand 2011) zu ermöglichen. Ähnlich verblüffte Blicke, wie einst mit dem laufenden Pferd, könnten nun beim Beobachten der Bewegung von Elektronen folgen. Neben der Grundlagenforschung haben sich Ultrakurzpulslaser auch in der Medizin, der Messtechnik, der Präzisionsmaterialbearbeitung und vielen weiteren Bereichen etabliert und sind dort heutzutage nicht mehr wegzudenken. Dabei spielt die Kontrolle über die zeitliche Dauer der Laserpulse eine entscheidende Rolle. Ziele des Praktikums: - Erzeugung von Pico- und Femtosekundenlaserpulsen - Beeinflussung der Pulsdauer in Theorie und Praxis mittels optischen Materials, Prismen- und Gitterkompressoren - Charakterisierung und Messung ultrakurzer Lichtpulse in Theorie und Praxis mittels Autokorrelaiton - Auswerten von Messdaten, anfitten von Modellfunktionen Vorbereitung des Praktikums: Folgende Themengebiete sind für das Verständnis und die Durchführung des Praktikums relevant. Deshalb sollten sie vor dem Praktikum gewissenhaft vorbereitet werden. Themengebiet Details 1. Ultrakurze Pulse Erzeugung via Modenkopplung, Zeit-Bandbreite-Produkt, Chirp, Dispersion, Gruppen- und Phasengeschwindigkeit 2. Dispersive Elemente Optisches Material, Prismenkompressor, Gitterkompressor 3. Frequenzverdoppelung Nichtlineare Kristalle, Doppelbrechung, Impuls- und Energieerhaltung, Phasenanpassung 4. Autokorrelation Prinzip der optischen Methode, Autokorrelationsintegral, Kurvenmodelle, Informationsgehalt des Signals Als Quellen für die Vorbereitung kann der Anhang und das dort befindliche Quellenverzeichnis dienen. Neben einem Überblick über die oben genannten Themengebiete sollten auch die Testatfragen (die sich auf der nächsten Seite befinden) gezielt vorbereitet werden. Seite | 1

Antestat, Vorbesprechung Folgende Fragen sollen beantwortet werden: 1. Wie erzeugt man cw, ms, µs, ns, ps, fs Laserstrahlung? Erklären Sie das Grundprinzip der Güteschaltung und Modenkopplung. Wie realisiert man aktive und passive? 2. Der modengekoppelte Laser im Praktikum arbeitet mit einer Repetitionsrate von 82 MHz. Wodurch wird diese bestimmt? Mit welcher Frequenz müsste ein Güteschalter bei aktiver Modenkopplung schalten? Wie groß ist der spektrale Abstand der longitudinalen Moden? 3. Wodurch wird die Pulsdauer eines modengekoppelten Lasers bestimmt? Geben Sie die Beziehung zwischen Bandbreite und minimaler Pulsdauer an! Welche Pulsform gibt bei gegebener Bandbreite die kürzeste Pulsdauer? 4. Was ist der Gruppenbrechungsindex? Was versteht man unter einem gechirpten Puls? Welchen Einfluss haben die jeweiligen Dispersionen bis zur dritten Ordnung auf die Pulsdauer und die zeitlich Pulsform? 5. Erklären Sie wie mittels Prismen- und Gitterkompressor Einfluss auf die Pulsdauer genommen werden kann. Was sind die Vor- und Nachteile dieser Anordnungen? 6. Kann ein negativ gechirpter Puls, in einem Gitterkompressor auf sein bandbreitebegrenztes Minimum verkürzt werden? 7. Welche Messmethoden zur Bestimmung der Pulsdauer von Lasern kennen Sie? Welche Wegstrecke durchläuft ein Puls in 1 ns, 1 ps und 1 fs? 8. Erklären sie kurz das Prinzip der Autokorrelation. Wann verwendet man diese Technik zur Pulslängenbestimmung? Welche Aufgabe hat der Verdopplerkristall im Messaufbau 9. Wie ist die Pulsdauer definiert? Wie wird aus dem Autokorrelationssignal die Pulsdauer bestimmt? WICHTIGE HINWEISE ZUM UMGANG MIT DEN LASERN IM PRAKTIKUM Die im Praktikum verwendete Laserstrahlung wird der Klasse 3B zugeordnet. Es treten Wellenlängen von 390 nm und 780 nm (beide am Rande der spektralen Sichtbarkeit) auf. Folgen Sie unbedingt genau den Anweisungen des Betreuers. Machen sie sich klar, wo überall Strahlung auftreten kann. Gerade im Bereich des Gitterkompressors kommt es aufgrund verschiedener Beugungsordnungen zu Strahlen außerhalb der Anordnung. Tragen Sie während des gesamten Praktikums ihre Schutzbrille. Am Praktikum darf nur teilnehmen, wer die jährliche Sicherheitsunterweisung zum Thema Laserstrahlung erhalten hat. Teilnehmer des Praktikums werden aufgefordert, selbst darauf zu achten, dass sie geeignete Schutzausrüstung (insbesondere Schutzbrillen) verwenden. Seite | 2

Industrienahes Photonik-Studium - Hochschule München
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