| Start | Neue Artikel | Spotlight | Feedback | Werbung |
| Kategorien | Suche | Quiz | Links | Page hits |
Das Photonik-Quiz
Testen Sie Ihr Wissen mit einem Satz von Fragen über Lasertechnologie, optische Fasern und nichtlineare Optik! Die folgenden Fragen sind weitgehend lösbar mit Hilfe der Encyclopedia of Laser Physics and Technology. Sie finden aber auch unterhalb der Fragen einen Abschnitt mit den korrekten Antworten und einigen zusätzlichen Erklärungen. Beachten Sie, dass in manchen Fällen auch mehr als eine Angabe korrekt sein kann.
Die Fragen
1) Wir betrachten die Erzeugung eines Pulses in einem gütegeschalteten Laser. An welchem Punkt tritt starke Sättigung der Verstärkung ein?
a) wenn die Intensität die Sättigungsintensität erreicht
b) wenn die zeitlich integrierte Leistung im Resonator die Sättigungsenergie erreicht
c) wenn die zeitlich integrierte Leistung im Resonator die im Lasermedium gespeicherte Energie erreicht
2) Welche Faktoren helfen, um die Pulsdauer eines gütegeschalteten Lasers zu minimieren?
a) eine kurze Lebensdauer des oberen Laserniveaus
b) eine hohe Pumpintensität
c) ein kurzer Laserresonator
d) ein hoher Emissions-Wirkungsquerschnitt
3) Ist selbststartendes passives Modenkoppeln leichter erreichbar mit kurzen Laserresonatoren?
a) ja, weil dies die Sättigung des Absorbers in den frühen Phase der Pulserzeugung verstärkt
b) nein, weil dies das Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung reduziert und daher zu schwächerer Absorbersättigung führt
4) Warum sind die Linien im Spektrum eines modengekoppelten Lasers äquidistant?
a) wegen der Dispersionskompensation im Laserresonator
b) weil die Pulsrepetitionsrate konstant ist
c) weil der sättigbare Absorber oder aktive Modelocker dies erzwingt
5) Auf welche Weise beeinflusst die Absorption der Idlerwelle im Kristall eines optischen parametrischen Oszillators oder Verstärkers die Effizienz?
a) gar nicht, solange nur die Signalleistung von Interesse ist; nur wenn die Phasenanpassung durch die Aufheizung gestört würde, könnte die Effizienz leiden
b) die Effizienz kann stark reduziert werden, sogar ohne thermische Effekte
6) Zwei einmodige Fasern mit verschiedenen Kerndurchmessern, aber gleicher numerischer Apertur werden zusammengefügt. Wie verhalten sich die Verluste am Übergang der Fasern?
a) Sie sind niedriger für Licht, das aus der Faser mit kleinerem Kern kommt, verglichen mit der anderen Richtung.
b) Sie hängen nicht von der Richtung ab.
7) Ein "figure-of-eight laser" ist
a) ein Laser von einer Firma dieses Namens
b) ein modengekoppelter Faserlaser, der zwei gekoppelte Ringresonatoren enthält
c) ein modengekoppelter Faserlaser, der einen nichtlinearen Faserring enthält
d) ein Ringlaser, dessen Resonator so gefaltet ist, dass sich der Strahl in der Mitte mit sich selbst kreuzt
e) ein Laser mit einem speziell geformten Strahlprofil
8) Einmodige Fasern mit großer Modenfläche haben in der Regel eine recht kleine numerische Apertur
a) weil dies nötig ist, um einmodige Wellenleitung zu erreichen
b) weil dies hilft, Biegeverluste zu reduzieren
c) weil dies erlaubt, höhere Moden durch Biegen der Faser zu unterdrücken
d) weil sie dies kompatibel zu Standardfasern macht
9) Superfluoreszenz und Superlumineszenz sind
a) zwei Worte für genau das gleiche Phänomen
b) zwei verschiedenen Phänomene
10) Ein DFB-Laser ist
a) ein Miniatur-Halbleiterlaser
b) ein Laser mit schmaler Linienbreite
c) ein Brillouin-Faserlaser mit gleichzeitiger Emission zweier optischer Frequenzen
11) Eine Faserlinse ist
a) eine Linse mit der Form einer optischen Faser
b) eine Linse, die für die Einkopplung von Licht in eine einmodige Faser optimiert ist
c) eine Linse, die aus amorphem Kohlefasermaterial gefertigt ist
12) Parametrische Fluoreszenz ist
a) ein quantenmechanischer Effekt, der in OPOs und OPAs auftritt
b) verantwortlich für die Schwellenleistung eines OPO
c) analog zu ASE in einem Laserverstärker
13) Verstärkte Spontanemission (ASE) ist in einem Nd:YAG-Laser normalerweise relativ schwach, verglichen mit einem Faserlaser,
a) weil es hier keinen Wellenleiter gibt, der die zufällig emittierte Fluoreszenz führt
b) weil die meisten Nd:YAG-Laser eine niedrige Verstärkung haben
c) weil die Emissionsbandbreite von Nd:YAG klein ist
d) weil Nd:YAG ein Vierniveau-Lasermedium ist
14) Die Nullpunktsfluktuationen (Vakuumfluktuationen) des elektromagnetischen Felds
a) werden verursacht von Photonen geringer Anzahldichte (ein Photon pro Mode), die nicht unterdrückt werden können, weil quantenmechanische Gesetze eine gewisse Balance zwischen Absorptions- und Emissionsprozessen in jedem Absorbermaterial verlangen
b) treten auf, wenn keinerlei Photonen existieren
15) Erbium-dotierte Faserverstärker sind
a) die effizientesten Faserverstärker, abgesehen lediglich von einigen Verstärkern basierend auf prohibitiv teuren Fasertypen
b) der Typ von Faserverstärker, der die niedrigste Rauschzahl ermöglicht
c) arbeiten in dem Bereich von Wellenlängen, in dem einmodige Fasern die niedrigsten optischen Verluste aufweisen
d) geeignet für transparente optische Netzwerke, da sie Eingangssignale unverändert transmittieren, wenn sie nicht gepumpt werden
16) Betrachten wir die Situation, dass ein periodischer Zug von Pikosekundenpulsen mit einer strommodulierten (gain-switched) Laserdiode erzeugt wird. Hat das optische Spektrum des Pulszugs die Form eines Frequenzkamms mit scharfen Linien?
a) Jawohl, da periodische Pulszüge immer eine solche Kammspektren haben.
b) Nein, denn die Pulse sind nicht zueinander kohärent.
c) Dies hängt von der Qualität des elektronischen Treibers der Laserdiode ab.
Lösungen und Kommentare
1) Pulserzeugung
Die Antwort a) ist falsch: die Sättigungsenergie ist nur im stationären Fall relevant, der hier nicht erreicht wird. Antwort b) ist korrekt: da der Puls innerhalb einer Zeitspanne deutlich unterhalb der Lebensdauer des oberen Laserzustands aufgebaut wird, tritt Sättigung erst ein, wenn die einfallende Energie die Sättigungsenergie erreicht. Antwort c) ist nicht ganz korrekt, aber damit läge man meist nicht weit daneben; die gespeicherte Energie ist typischerweise ein kleines Vielfaches der Sättigungsenergie.
2) Kürzeste Pulsdauer von einem gütegeschalteten Laser
Die Antworten b), c) und d) sind korrekt. Die Lebensdauer des oberen Laserzustands ist irrelevant – sie bestimmt den Zerfall durch spontane Emission, während der Puls die Verstärkung durch stimulierte Emission abbaut.
3) Selbststartendes passives Modenkoppeln
Antwort a) ist korrekt. Man wird einen passiv modengekoppelten Laser normalerweise so dimensionieren, dass der sättigbare Absorber im stationären Fall ausreichend gesättigt wird. (Dies bedeutet, dass für kürzere Resonatoren eine stärkere Fokussierung auf den Absorber notwendig ist.) Ein großes Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung bedeutet, dass in der Anfangsphase der Pulsformung kaum eine Sättigung des Absorbers auftritt, so dass das Selbststarten schwer erreichbar ist. Dies entspricht tatsächlich der Erfahrung.
4) Optisches Spektrum eines modengekoppelten Lasers
Die Antwort c) ist korrekt. Dispersionskompensation wirkt nur ungefähr, falls sie überhaupt angewandt wird, und im Übrigen gibt es meist signifikante nichtlineare Effekte im Laserresonator. Die exakte Äquidistanz der Linien im Fourier-Spektrum ergibt sich aus der Periodizität des erzeugten Pulszugs, und diese wird erzwungen vom sättigbaren Absorber oder vom aktiven Modelocker: Solch ein Bauteil hindert die Pulse daran, sich beispielsweise zunehmend zu verbreitern.
5) OPO oder OPA mit Idler-Absorption
Die Antwort b) ist korrekt. Die Idlerwelle ist essenziell für den Prozess der parametrischen Verstärkung: Das zur Idlerwelle addierte elektrische Feld hängt von Pump- und Idleramplitude ab.
6) Koppelung einmodiger Fasern
Die Antwort b) ist korrekt. Die Verluste können nicht von der Ausbreitungsrichtung abhängen; solch nicht-reziprokes Verhalten benötigt andere Effekte wie z. B. Faraday-Drehung. Dies ist so, obwohl es scheinen könnte, dass die Verluste kleiner sind, wenn das Licht aus der Faser mit kleinerem Kern kommt. Diese Intuition basiert jedoch mindestens teilweise auf Strahlenoptik; für das Verständnis einmodiger Fasern benötigt man Wellenoptik.
7) Figure-of-eight-Laser
Die Antwort c) ist korrekt. Antwort b) ist falsch: Der Resonator sieht aus, als bestünde er aus zwei Ringen, aber in Wirklichkeit gibt es einen einzigen Ring mit einer eingefügten nichtlinearen Faserschleife. Siehe den Artikel über modengekoppelte Faserlaser für mehr Details.
8) Einmodige Fasern mit großer Modenfläche
Antwort a) ist korrekt: eine hohe numerische Apertur kombiniert mit einer großen Modenfläche würde zu mehrmodiger Wellenleitung führen (→ multimode fibers). Als ein unwillkommener Nebeneffekt führt eine niedrige numerische Apertur zu hohen Biegeverlusten bereits bei moderater Krümmung der Faser. Es trifft zwar zu, dass dies für die Abschwächung von Moden höherer Ordnung verwendet werden kann, da solche Moden größere Biegeverluste aufweisen, aber in einmodigen Fasern kann dieser Effekt natürlich nicht auftreten.
9) Superfluoreszenz und Superfluoreszenz
Antwort b) ist richtig. Jedoch wird der Begriff "Superfluoreszenz" manchmal fälschlich statt "Superfluoreszenz" gebraucht.
10) DFB-Laser
Antwort b) ist korrekt. Ein DFB-Laser (= distributed feedback laser) ist ein Laser, bei dem einmodige (deswegen auch schmalbandige) Emission mit einer periodischen Struktur innerhalb des Verstärkungsmediums erreicht wird. Dieses Prinzip kann für Laserdioden, aber auch für Faserlaser und andere Lasertypen verwendet werden.
11) Faserlinse
Antwort a) ist korrekt. Faserlinsen werden oft eingesetzt für die "fast-axis"-Kollimation von Diodenbarren.
12) Parametrische Fluoreszenz
Die Antworten a) und c) sind korrekt. Parametrische Fluoreszenz ist in der Tat ähnlich zur verstärkten Spontanemission (ASE), und wie ASE ist sie ein Quanteneffekt. Während jedoch Spontanemission in einem Lasermedium einen Leistungsverlust verursacht, der für die endliche Schwellenleistung verantwortlich ist, ist dies für parametrische Fluoreszenz nicht der Fall, da diese Emission nur in eine einzige Mode erfolgt und deswegen nur eine minimale Leistung trägt.
13) Verstärkte Spontanemission (ASE) in einem Nd:YAG-Laser
Antwort c) ist korrekt, und Antwort b) ist zumindest nicht völlig falsch. ASE ist schwach bei der typischerweise niedrigen Verstärkung in den meisten Bulk-Lasern, aber sie ist ebenfalls ziemlich schwach in den meisten Faserlasern, obwohl deren Laserverstärkung im Durchschnitt etwas größer ist. Ein Wellenleiter-Effekt ist hier nicht relevant.
14) Vakuumfluktuationen
Antwort a) ist korrekt. Das Vakuum hat keinerlei Photonen, trotzdem aber Fluktuationen des elektromagnetischen Felds. Photonen sind Anregungen des Felds über seinen Grundzustand hinaus.
Die Regel "ein Photon pro Mode", die gelegentlich angewandt wird, z. B. um die Ausgangsleistung eines optisch parametrischen Generators oder einer ASE-Quelle abzuschätzen, ist trotzdem nicht unsinnig. Sie erlaubt die Abschätzung der Stärke der Vakuumfluktuationen in einem semiklassischen Bild, obwohl das Vakuumfeld wie gesagt keine Photonen enthält.
15) Erbium-dotierte Faserverstärker
Nur Antwort c) ist korrekt. Ytterbium-dotierte Faserverstärker sind gewöhnlich effizienter als solche basierend auf Erbium-dotierten Fasern, und besonders Neodymium-dotierte Verstärker können eine niedrigere Rauschzahl erreichen.
Erbium-Faserverstärker schwächen im ungepumpten Zustand Eingangssignale ab (besonders bei den kürzeren Wellenlängen), da sie auf einem Quasi-Dreiniveau-Medium basieren. Trotzdem sind sie benutzbar für transparente optische Netzwerke; diese Art von Transparenz hat eine andere Bedeutung.
16) Pulszug von einer strommodulierten Laserdiode
Antwort b) ist korrekt. Ein Frequenzkamm tritt nur auf, wenn es eine wohldefinierte Phasenbeziehung zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen gibt. Eine solche existiert meist für Pulszüge, die mit modengekoppelten Lasern erzeugt werden, zumindest wenn ein einzelner Puls im Resonator umläuft (→ fundamental mode locking), von dem alle Ausgangspulse abgeleitet sind. Bei einer strommodulierten Laserdiode wird jeder Puls mit einer zufälligen Phase erzeugt, die von Rauschprozessen bestimmt ist, so dass das Spektrum des Pulszugs kontinuierlich ist und keine Kammstruktur aufweist.
Ein wenig Wahrheit steckt jedoch auch in Antwort c): Im Prinzip könnte man eine Laserdiode so betreiben, dass zwischen den Pulsen eine kleine optische Leistung bleibt und die Kohärenz aufrechterhalten wird. Jedoch ist mir nicht bekannt, dass das jemand versucht hätte, und die erreichbare Kohärenz wäre vermutlich schwach im Vergleich zu der bei einem modengekoppelten Laser.
