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Wellenlängenselektion

Laserphysik und -technik, Frequenzselektion, Auswahl eines beschränkten Frequenzintervalls für die Resonanz in einem Laser. Viele Anwendungen von Lasern in der Physik erfordern mehr oder weniger monochromatisches Licht über einen grossen Frequenzbereich. Besonders in der Spektroskopie ist es von Bedeutung, eine Lichtquelle variabler Frequenz bzw. Wellenlänge zur Verfügung zu haben; die jeweilige spektrale Breite soll dabei möglichst klein sein, damit man eine grosse spektrale Leistungsdichte zur Verfügung hat. Die Einführung von abstimmbaren Farbstofflasern war hier ein entscheidender Fortschritt. Erst in jüngster Zeit werden Farbstofflaser zunehmend von vibronischen Festkörperlasern verdrängt, da letztere im allgemeinen leichter handhabbar sind und über eine höhere Energiespeicherkapazität verfügen.

Die Einschränkung auf einen bestimmten Wellenlängenbereich ist analog zur Auswahl bestimmter Resonatormoden, die in einen entsprechenden Energiebereich fallen. Je nach der spektralen Breite des Laserlichtes, die man erreichen möchte, finden zur Wellenlängenselektion verschiedene Elemente einzeln oder in Kombination Verwendung. Erste Versuche gelangen mit Prismen-Resonatoren und Gittern, die in Littrow-Resonatoren und Littman-Metcalf-Resonatoren verwendet werden. Die Gitteranordnungen lassen sich durch eine Strahlaufweitung mittels eines Teleskops (Hänsch-Resonator) oder Prismen (multiple prism Littrow-Resonator) verbessern. Eine andere Möglichkeit liegt im Einsatz von doppelbrechenden Filtern, die keine räumliche Dispersion aufweisen, sondern den Polarisationszustand wellenlängenabhängig beeinflussen. Auf Grund ihrer geringen Verluste werden doppelbrechende Filter bei Dauerstrichlasern eingesetzt. Benötigt man für eine Anwendung einen engeren Wellenlängenbereich als etwa 0,1 nm, das entspricht grössenordnungsmässig einer Frequenz von 100 GHz, verwendet man meist zusätzlich ein oder mehrere Fabry-Pérot-Etalons.

Ab einer bestimmten Linienbreite (in der Grössenordnung MHz) müssen Etalons sowie der gesamte Resonator temperaturstabilisiert werden, da sich sonst bereits kleine Schwankungen der Umgebungstemperatur durch temperaturbedingte Längenänderung von Bauteilen vergleichsweise gravierend auswirken (Frequenzstabilisierung). Bei Pulslasern ist die minimale erreichbare spektrale Linienbreite Dn = 1 / (2pT) zudem durch die Pulsdauer T begrenzt. Mit Dauerstrichlasern lassen sich bei entsprechender Frequenzstabilisierung im single mode Laserbetrieb Linienbreiten von weniger als 1 MHz, im Extremfall sogar unter 1 kHz, erreichen.

Eine andere Möglichkeit, einen Wellenlängenbereich innerhalb eines Fluoreszenzspektrums vorzugeben, ist die Methode des injection locking.

 

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