Transcript Talk Geschichte des Lasers 29Oct10

Licht aus dem Rubin:
Geschichte des Lasers
Ursula Keller
Department of Physics, Institute for Quantum Electronics,
ETH Zurich, Switzerland
50 Jahre Laser-Technologie
Ringvorlesung der Volkshochschule des Kantons Zürich
29. Okt. 2010
Ultrafast Laser
Physics
ETH Zurich
Glühbirne - Laser
• Viele verschiedene Farben
• Wenige/Einige Farben
• Unterschiedliche Intensität
• Identische Intensität
• In alle Richtungen
• Gleiche Richtung
• Ungleichmässig
• “Im Gleichtakt”
Erster Laser: 1960 der Rubinlaser
• Heute 50 Jahre später:
kein Leben (wie wir es kennen) ohne den Laser!
• Was passiert wenn alle Laser plötzlich aufhören zu funktionieren?
Die ganze optischen Nachrichtenübertragung hört auf:
- keine Datenfernübertragung (Faserkabel)
- kein Mobiltelefon (d.h. kein Handy, Natel, i-Phone …)
- kein Internet
- keine Notrufe
Das ganze Finanzgeschäft hört auf:
- Keine Kreditkartenzulassung
- Kein Cash aus Bankomaten (ATM-Netz)
- Kein Zugang zu Bankkontoinformationen
Die Verkehrsampel funktionieren nicht
… und in der Verzweiflung können wir nicht einmal mehr Musik hören!
Eine typische Eigenschaft der Laseranwendung ist, dass der Laser normalerweise nicht sichtbar ist.
HeNe-Laser
Stimulierte Emission: Voraussage Einstein
Grundlage für den Laser in Berlin: 1916
stimulierte (induzierte) Emission
(nach Abschluss der allgemeinen Relativitätstheorie im Herbst 1915)
Energie
1912
Albert Einstein
1879-1955
Laser
Light amplification by stimulated emission of radiation
Der erste Laser: 1960
stimulierte Emission (1916 Einstein)
kohärente optische Verstärkung in einem Laserresonator
spontan emittiertes Licht
in alle Richtungen
Theodore H.
Maiman
Laserstrahl
ausgekoppelt
Spiegel 2
Spiegel 1
stimulierte Emission von Licht
in der Laserstrahlachse
Energie Input
(Licht, Strom, …)
Laser
Light amplification by stimulated emission of radiation
spontan emittiertes Licht
in alle Richtungen
Laserstrahl
ausgekoppelt
Spiegel 2
Spiegel 1
stimulierte Emission von Licht
in der Laserstrahlachse
Energie Input
(Licht, Strom, …)
Laser
Light amplification by stimulated emission of radiation
Film von Trumpf
Faszination Laser
Dauer: 8 Min 19 Sek
(Zeit die das Licht braucht von der Sonne zur Erde)
Laser
Light amplification by stimulated emission of radiation
Der erste Laser: 1960
Theodore H.
Maiman
Play movie: Interview with Ted Maiman
(4 Min 20 Sek - in English)
Charles Townes:
MASER Pionier und Nobelpreisträger
•
Maser (Microwellen Quellen) wurden für das Militär entwickelt
• Charles Townes demonstrierte den ersten Maser in 1954 (3 Jahre lang
probiert)
Charles Townes:
MASER Pionier und Nobelpreisträger
•
Maser (Microwellen Quellen) wurden für das Militär entwickelt
• Charles Townes demonstrierte den ersten Maser in 1954 (3 Jahre lang
probiert)
•
In 1958: Charles Townes (und Arthur Schalow, sein Schwager) publiziert
Artikel über Maser bei optischen Frequenzen.
• Theoretische Überlegungen
• Ihr Vorschlag für den Namen war “Optischer Maser”
Dabei erwähnten sie, dass Ruby als Material nicht geeignet ist
•
Nobel Preis
• In 1964 kriegten Townes, Prokhorov and Basov den Nobelpreis für
“fundamental work in the field of quantum electronics which has led to
the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser
principle.“
• In 1981 kriegten Schawlow und Bloembergen den Nobelpreis für
"contribution to the development of laser spectroscopy."
Charles Townes:
MASER Pionier und Nobelpreisträger
Oxford University Press 1999
ISBN 0-19-512268-2
Gordon Gould
Laser Patent
•
Gordon Gould war ein Student an der Columbia University (hatte Kontakt zu
Townes).
• Ging weg vor Abschluss an Columbia
•
Gould kreierte den Namen “Laser”: Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation" in 1957
•
Gould patentierte den Laser in 1959
• Notizen aus 1957 beglaubigt durch Notar (Besitzer eines
Süssigkeitsladens)
In den USA zählt die beglaubigte Notiz im Laborbuch als
Ursprungsdatum, in Europa die Veröffentlichung)
• Kontakt zu “Marxisten”: Konnte bei den eigenen Projekten nicht
mitmachen.
•
Nach 30 Jahre wurde Patent anerkannt.
• 80% seiner Patenteinkünfte musste er Anwälten abtreten
• Wurde Multimilionär
• “my Santa Fe story”
Gordon Gould
Laser Patent
Simon & Schuster 2000
ISBN 0-684-83515-0
Ted Maiman:
Konstrukteur des ersten Lasers im Mai 1960
•
Rennen zum ersten Laser
• AT&T Bell Labs um New York (USA Ostküste): Grösste Anstrengungen
um das Rennen zu gewinnen (x*10Mio$, viele Physiker, darunter einige
Nobelpreisträger)
• Ted Maiman (USA Westküste): Ingenieur bei Hughes Labor in Los
Angeles mit einem sehr kleinen Budget (9 Monate, 70’000$).
•
Prof. Amnon Yariv
(Doktorvater von Christoph Harder, President www.swisslaser.net)
• Abeitete zu dieser Zeit bei Bell Labs und er war im Juni in Los Angeles
in den Ferien (Bodysurfing).
• Er liess sich von Maiman den Laser demonstrieren.
• Meldete an Bell Labs zurück: Das Rennen ist entschieden.
•
Ted Maiman versuchte die Resultate zu publizieren (wurde von den
“reviewern” abgelehnt) und lange wurde er ignoriert. Heute ist seine
bahnbrechende Leistung annerkannt
•
Ted Maiman video, von Kathleen Maiman erhalten (4 minutes)
Ted Maiman:
Konstrukteur des ersten Lasers im Mai 1960
Laser Press 2000
ISBN 0-97-029270-8
Weitere Bücher …
Weitere Laser …
• Festkörperlaser
- Rubinlaser: Maiman, 1960 (694.3 nm)
- Nd:YAG Laser: Geusic, AT&T Bell Laboratories, 1964 (1.06 µm)
- Yb:YAG Laser: T. Y. Fan, Byer - Stanford, Huber - Hamburg
- Ti:Saphir Laser: 1982 Peter Moulton, MIT Lincoln Lab
• Halbleiterlaser
- 1962, General Electric, Robert N. Hall (first laser diode)
- Aber auch IBM, MIT Lincoln Lab, Texas Instruments, RCA Labs …
• Gaslaser
- HeNe Laser: AT&T Bell Labs Dec. 1960 (infrarot), 1962 (632 nm)
- Argonionenlaser
- CO2-Laser: AT&T Bell Labs, Kumar Patel 1964 (10.6 µm)
- Excimer Laser: Lebedev Phys. Inst., Russland, 1970 Basov, Popov
(193 nm - ArF, 248 nm - KrF)
UV Lithography und Laseraugenoperation, LASIK
• Farbstofflaser (Flüssigkeit)
- Rhodamine 6G (570 nm - 640 nm), viele andere
- 1966, unabhängig entwickelt von Sorokin und Schäfer
Weitere wissenschaftliche Durchbrüche …
Tom Baer, Stanford University
Weitere wissenschaftliche Durchbrüche …
Nichtlineare Optik
Tom Baer, Stanford University
Nichtlineare Optik und Spektroskopie
Nobelpreis in Physik 1981
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Frequenzverdopplung
Nicolaas
Bloembergen
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Störungsrechnung:
(2)
Pi  ij(1)E j  ijk
E j Ek   (3)
ijkl E j Ek El 
Nobel lecture, 8. Dec. 1981 by Nicolaas Bloembergen, Harvard University
Nichtlineare Optik - heute
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Weitere wissenschaftliche Durchbrüche …
Tom Baer, Stanford University
Weitere wissenschaftliche Durchbrüche …
Frequenzkämme
Tom Baer, Stanford University
Femto-Uhren
Vergrösserung:
100'000 x
Vergrösserung:
100'000 x
• Spektrum eines Femtosekunden-Lasers besteht aus Millionen feiner Linien
• Diese Linien haben überall immer den gleichen Abstand
• Femtosekundenlaser ist für Frequenzen wie ein Lineal für Längen !
“Frequenzlineal” extrem genau!
T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, Nature 416, 233, 2002
Stabilisierung des Frequenzkammes mit f-to-2f Interferometer:
H. R. Telle, G. Steinmeyer, A. E. Dunlop, J. Stenger, D. H. Sutter, U. Keller,
Appl. Phys. B 69, 327, 1999
Wie kann ich mit fs-Laser Zeiten messen?
Frequenzkamm
• optische Frequenzen zu hoch
Detektor
für direkte Messung
• Detektor misst Differenzen von
Frequenzen = Schwebungssignal
• Messung des Abstandes der
Linien im Kamm
unbekannte
Frequenz
• Messung des Abstandes
unbekannte Linie - Kammlinie
• Untersetzung optischer
Detektor
Frequenzen
• optisches „Getriebe“
• optische Frequenz wird zählbar
• damit Zeitmessung
Naturkonstanten wirklich konstant?
Entdeckung
von Planeten
Stern
Star
Planet
Prof. Michel Mayor, Uni Genf
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Erde
Earth
Lichtleiter
•
•
Kleine Verluste
• Keine Absorption oder Streuung: Quartz
Lichtleitung
• Durch Material mit höherem Brechungsindex (kleinerer
Geschwindigkeit)
Licht ausserhalb des Stabes läuft schneller und biegt den
Strahl zurück in den Stab
oft etwas verwirrend: „Totale interne Reflektion“
genannt
Charles K. Kao
Nobelpreis
Physik 2009
"for groundbreaking achievements concerning the transmission
of light in fibers for optical communication"
Laser heutige Anwendungen
Industrielle Laser: USA Umsatz 1986-2009
David Belforte, Pennwell Corporation
Industrielle Laser 2009
Japan
19%
East Asia
20%
ROW
5%
North
America
20%
Europe
36%
David Belforte, Pennwell Corporation
Industrielle Laser 2009
40
35
Percent
30
North America
25
Europe
20
East Asia
15
Japan
10
ROW
5
0
2005
2006
2007
2008
2009
David Belforte, Pennwell Corporation
Photonik in der Schweiz
Produktionsvolumen Photonik Standort Schweiz, 2008
Total: 3,0 Mrd. CHF
Optische
Medizintechnik & Life
Science
17%
Bildverarbeitung &
Optische
Messtechnik
24%
Optische
Kommunikationstechnik
3%
Optische
Drucktechnik
2%
Lasermaterialbearbeitung
41%
Optische
Komponenten &
Systeme
12%
Photovoltaik
1%
OPTECH CONSULTING - September 2009
•
•
Dominiert durch Laserstrahlwerkzeuge
Lasag: Ruby Laser, Bystronic, Trumpf: CO2 Laser
Photonik in der Schweiz:
2-ter in Umsatz/capita in Europa
Christoph Harder, swisslaser.net
NEUCHÂTEL
Alpes Lasers,
Schott Suisse,
Süss Micro,
Medtronic,
Laser
Automation,
…
BERN
Bystronic,
Lasag (Swatch
Group),
Haag-Streit,
Ilford Imaging,
Sysmelec,
Hy-Tech, …
ZURICH
Oclaro, IBM Research Lab, Avalon, Time-Bandwidth,
Exalos, IMT Masken, Omnisec, Soudronic,…
ST. GALLEN,
Rheintal
Diffractive
LAUSANNE
Bosch,
Beam Express,
Omnisens,
Lyncée Tec
Synova, …
Leica Geosys,
Leica Microsys,
Oerlikon Solar,
Oerlikon Optics,
micro-optical components
- 20
Fisba Optik,
SwissOptic,
years later
Cedes,
Huber & Suhner,
Vectronix,…
LUCERNE - ZUG
Roche Instr. Center, Schindler, Leister,
Trumpf, OVD Kinegram, Crypto, 3D AG,
Sigrist Photometer, Xenlux, Xemtec…
GENEVA
id Quantique, Hach Ultra, …
TI - Diamond SA, …
www.swisslaser.net
Photonics CH 2008: 3 Milliarden CHF
Laser “a solution looking for a problem”
Schawlow using a laser to pop a Mickey Mouse balloon
Ruby Laser (Rubinlaser) - Ted Maiman, 1960