Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

5.2.2 Dämpfung und Verstärkung
5 Nichtlineare Optik und kurze Laserpulse 93
Bisher haben wir die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in verlustfreien
Medien betrachtet. Die Welle kann aber auch gedämpft bzw. verstärkt
werden. Dämpfung oder Verlust tritt auf, wenn die Frequenz der elektromagnetischen
Welle die Atome, welche das Medium bilden, in angeregte
Zustände überführen kann. Verstärkung oder Gewinn tritt auf, wenn sich
das Medium schon in einem passenden angeregten Zustand befindet, d.h. die
entsprechende Besetzung invertiert ist. Dann wird die Welle beim Durchlaufen
des Mediums verstärkt. Meist ist die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung
g bzw. Dämpfung sehr gut durch eine Lorentz-Funktion beschrieben
[23], welche bei der Frequenz Ω0 zentriert ist (Abb. 5.5). Die Verstimmung,
bei der die Verstärkung auf die Hälfte abgefallen ist, heißt halbe Halbwertsbreite
Ωg:
g0
g(ω) = � �2 . (5.6)
ω−Ω0
1+
Ωg
Haben alle zur Verstärkung beitragenden Übergänge dieselbe Zentralfrequenz,
so spricht man von einer homogen verbreiterten Linie. Tragen zur
Verstärkung mehrere unabhängige Linien mit verschiedenen Zentralfrequenzen
bei, so spricht man von inhomogen verbreiterten Linien. Im Folgenden
wollen wir immer homogen verbreiterte Linien annehmen.
Ist das Material, in dem sich der Puls ausbreitet, nicht invertiert, so tritt
Absorption auf. Auch die Frequenzabhängigkeit der Absorption ist meistens
durch ein Lorentz-Profil beschrieben.
Gewinn, g / g 0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.6
0.8
1.0
Ω ο / Ω g = 20
1.2
Kreisfrequenz, ω / Ω 0
Abb. 5.5. Der optische Gewinn in verstärkenden Medien ist meist durch ein
Lorentz-Profil beschrieben
1.4
5.3 Nichtlineare Wellenausbreitung
Bei der nichtlinearen werden im Gegensatz zur linearen Wellenausbreitung
neue Frequenzen, d.h. neue Spektralanteile erzeugt. Bei der linearen Puls-