Lehrver­anstaltungs­handbuch LT

Lasertechnik


PDF Lehrveranstaltungsverzeichnis English Version: LT

Version: 1 | Letzte Änderung: 19.09.2019 15:08 | Entwurf: 0 | Status: vom verantwortlichen Dozent freigegeben

Langname Lasertechnik
Anerkennende LModule LT_BaET, LT_BaOPT
Verantwortlich
Prof. Dr. Stefan Altmeyer
Professor Fakultät IME
Gültig ab Wintersemester 2022/23
Niveau Bachelor
Semester im Jahr Wintersemester
Dauer Semester
Stunden im Selbststudium 78
ECTS 5
Dozenten
Prof. Dr. Stefan Altmeyer
Professor Fakultät IME
Voraussetzungen Mthematik:
Matrizenrechnung
Differentialrechnung
Integralrechnung

Physik / Optik:
Grundkentnisse geometrische Optik
Grundkenntisse Wellenoptik
Unterrichtssprache deutsch
separate Abschlussprüfung Ja
Literatur
Eichler, Eichler: Laser - Bauformen, Strahlführung, Anwendungen (Springer)
Poprawe: Lasertechnik (Copy-Shop AC-UNI-COPY)
Pedrotti, Pedrotti, Bausch, Schmidt: Optik für Ingenieure. Grundlagen (Springer)
Abschlussprüfung
Details So weit die Prüfungszahl nicht zu groß ist, wird eine mündliche Prüfung gegenüber einer schriftlichen Prüfung bevorzugt.

In der Prüfung werden auf unterstem Kompetenzniveau Kenntnisse abgefragt. Dies sind beispielsweise die Baugruppen, die in
jedem Laser enthalten sind, die Definition von Begriffen wie die Strahlqualität, die Beugungsmaßzahl oder das Strahlparameter Produkt, die Wellenlängen, Leistungsklassen und Anwendungsgebiete der wichtigsten industriell relevanten Laser.

Auf nächster Kompetenzstufe werden Fertigkeiten geprüft. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Strahldurchrechnung von Gaußstrahlen durchgeführt wird, die optische Stabilität eines Laser-Resonators berechnet wird oder die Anzahl der zu erwartenden longitudinalen Moden bei gegebenem Lasermedium und Resonator-Parametern abgeschätzt wird.

Die höchste prüfbare Kompetenzstufe betrifft die Methodenkompetenz. Deren Ausprägung kann überprüft werden, indem ein Anwendungsfall geschildert wird: Aufgaben können sein, für ein Schweiß-Aufgabe in der Produktion, ein Belichtung von Halbleiter-Chips oder eine Augen-OP, ein geeignetes Lasersystem in seinen Grundparametern begründet zu beschreiben und die weitere Vorgehensweise bei der Parametrisierung und Auswahl unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Aspekten darzustellen.
Mindeststandard Mindestens 50 % der Fragen richtig beantwortet
Prüfungstyp mündliche Prüfung, strukturierte Befragung

Lernziele
Zieltyp Beschreibung
Kenntnisse Lasertypen und deren Anwendungsbereiche
Gaslaser
CO2 Laser
Excimer Laser
Argon-Ionen Laser
Farbstofflaser
Festkörperlaser
Diodenlaser
Optische Pumpe
Telekommunikation
Materialbearbeitung

Laserprinzip
Absorption, spontane Emission, induzierte Emission
Maxwell-Boltzmann Verteilung
Inversion
3- und 4-Niveau Systeme
Ratengleichungen

Transversale Moden
Fresnel-Zahl
Regime der geometrischen Optik, Fresnel-Beugung und Fraunhofer Beugung
Beugungsoperator, Eigenwerte und Eigenfunktionen
Laguerre-Gauß und Hermite-Gauß Moden
mathematische Beschreibung des Laguerre-Gauß Grundmodes
Transversal monomodige Laser

Axiale Moden
Resonator und stehende Wellen
Modenkamm und Verstärkungsbandbreite
Fabry-Perot Interferometer, Etalon
Frequenz-Bandbreite eines axialen Modes
Güte und Finesse
Axial monomodige Laser
zeitliche Kohärenz, Kohärenzlänge

Eigenschaften des Gaußschen Strahls
Vollständige Definition über einen einzigen Parameter:  Strahlradius oder Rayleighlänge
Strahlqualität und Beugungsmaßzahl
Beugungsbegrenzung im Sinne der Unschärferelation

Ausbreitung des Gaußschen Strahls
Strahltransfermatrizen
ABCD-Gesetz
Rayleighlänge als Ort stärkster Phasenkrümmung
Art der - und Gründe für die - Abweichungen der Gaußpropagation von der
Propagation geometrisch-optischer Strahlen

Resonatordesign
g-Parameter
Stabilität von Resonatoren als Eigenwertproblem
Stabilitätsdiagramm
Stabilität und Modenvolumen

Falls die Zeit im Semester ausreicht:

Ultrakurzpulslaser
Lasermaterialien mit großer Vertsärkungsbandbreite
Dispersionskompensation
Modenkopplung und Kerr-Effekt
Harte und weiche Aperturen als modenselektierende Verlustelemente
Startmechanismen für Modenkopplung
Größenordnungen der physikalischen Eckdaten von Ultrakurzpulslasern
mittlere Leistung
Puls-Spitzenleistung
Intensität
Lichtdruck
Feldstärke
Energieübertrag an Elektronen
Licht-Materiewechselwirkung
Erwärmen und Aufschmelzen
Verdampfen und Sublimieren
Photodisruption
Elektron-Phonon Wechselwirkungszeit
Coulomb Explosion
Erzeugung von harter Röntgenstrahlung
Kalte Materialbearbeitung und deren Anwendungen
Fertigkeiten Laseraktive Materialien klassifizieren

Transversale Moden differenzieren und klassifizieren

Güte und Finesse eines Fabry-Perot Interferometers berechnen

Ausbreitung von Gaußstrahlen mit ABCD Gesetz berechnen

Stabilität eines Resonators berechnen

Optische Eckdaten eines Lasers berechnen

Für eine vorgegebene Applikation einen geeigneten Laser und ein geeignets optisches
System auswählen

Alle obige Kenntnisse sollen kein zusammenhangloses Wissen bilden, sondern durch ein tiefes Verständnis der folgenden Dinge miteinander verknüpft sein und Transferleistungen erlauben:

- Physik der Entstehung von Laserlicht und dessen physikalischen Eigenschaften
- Physik der Laserlicht-Material Wechselwirkung
- Beugungstheorie
Aufwand Präsenzlehre
Typ Präsenzzeit (h/Wo.)
Vorlesung 2
Tutorium (freiwillig) 0
Besondere Voraussetzungen
keine
Begleitmaterial Skript als herunterladbare Datei
Separate Prüfung Nein

Lernziele
Zieltyp Beschreibung
Fertigkeiten - Laser aufbauen, justieren und zünden.

- Einen Aufbau zu Messung transversaler Moden errichten, transversale Moden messen und Strahlqualität sowie Beugungsmaßzahl berechnen

- Axiale Moden messen. Bestimmung des freien Spektralbereichs, der spektralen Breite einer Mode, der Verstärkungsbandbreite eines Lasers, dessen Kohärenzlänge

- Diodengepumpten Festkörperlaser aufbauen

- Einheit zur Frequenzverdopplung aufbauen und mit einem diodengepumpten Festkörperlaser in Betrieb nehmen

- Wissenschaftlichen Bericht verfassen
Aufgabenbestellung beschreiben
Lösungsansatz darstellen
Versuchsaufbau erläutern
Verarbeitung der Messdaten darlegen
Fehlerrechnung durchführen
Ergebnis präsentieren und kritisch diskutieren
Aufwand Präsenzlehre
Typ Präsenzzeit (h/Wo.)
Praktikum 2
Tutorium (freiwillig) 0
Besondere Voraussetzungen
keine
Begleitmaterial Anleitungen zu den Versuchen als herunterladbare Dateien.

Bedienungsanleitungen zu komplexen Geräten als herunterladbare Dateien.
Separate Prüfung Ja
Separate Prüfung
Prüfungstyp Projektaufgabe im Team bearbeiten (z.B. im Praktikum)
Details 1) Übungsaufgabe mit fachlich / methodisch eigeschränktem Fokus lösen
- Vor Antritt des Praktikums sind zu Hause ausgearbeitete Aufgaben vorzulegen.

2) Fachgespräch zu besonderen Fragestellungen
- Die Grundideen zum Versuch werden vor dessen Durchführung im Gespräch erfragt.

3) Projektaufgabe (im Team) bearbeiten
Je nach Studierendenzahl werden die Versuche alleine (bevorzugt) oder zu zweit
durchgeführt.
- Versuchsaufbauten müssen selber aufgebaut und justiert werden
- Mit den selber errichteten Versuchsaufbauten müssen Messdaten gewonnen werden

4) Anfertigung eines Versuchsprotokolls. Geprüft wird auf
- Vollständigkeit
- Wissenschaftlichkeit und Präzision der Sprache
- Richtigkeit
- Verständnis der Zusammenhänge und Interpretation der Ergebnisse
Mindeststandard Alle schriftlichen Aufgaben müssen bearbeitet sein.

Die Grundideen des Experimentes müssen verstanden sein.

Alle Versuche müssen durchgeführt worden sein

Die Versuchsausarbeitungen müssen frei von systematischen Fehlern sein.

Bei Fehlern, bitte Mitteilung an die
Webredaktion der Fakultät IME

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