Verstärkung und Lasing ohne Inversion in Quecksilber bei 253.7 nm und 185 nm
Final Report Abstract
Das Akronym Laser steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Entsprechend des Verstärkungsprozesses wird im Normalfall eine Besetzungsinversion benötigt, damit Absorption nicht die Verstärkung des Lichts verhindert. Anfang der 90er Jahre des letzten Jahrhunderts wurden Schemen in der Literatur veröffentlicht, die Lasing ohne Inversion ermöglichen, in dem durch Einstrahlung zusätzlicher Laserstrahlung kohärente Superpositionszustände erzeugt werden, die keine Absorption mehr zeigen. In diesem Projekt wurde eine Erweiterung der ursprünglichen LWI-Idee mit drei atomaren Niveaus auf ein vier Niveau System in neutralem Quecksilber auf die Möglichkeiten von LWI hin untersucht, um erstmals einen kontinuierlichen UV-Laser basierend auf LWI zu demonstrieren. Zunächst wurde ein theoretisches Modell erstellt, das über die bisherigen Ansätze hinaus geht. Es werden nicht nur auf der Seite des atomaren Systems alle Parameter berücksichtigt, sondern auch auf der Seite der notwendigen Lasersysteme. So wird z.B. das Phasenrauschen der Laser berücksichtigt und die Linienbreite der notwendigen inkohärenten Pumpquelle. Im Verlauf der Experimente zeigte sich die wichtige Rolle, die diese Arbeiten für das Gesamtprojekt besaßen. Zum einen sagten Sie die besondere Wichtigkeit der Linienbreite der Lasersysteme voraus, die zur Erzeugung der kohärenten Superposition benötigt werden. Deren Linienbreite liegt weit unterhalb der natürlichen Linienbreite des Übergangs. Aber auch für die Erklärung der Beobachtungen im Experiment waren diese unerlässlich. Die in der Theorie vorhergesagte kohärente Superposition durch Einstrahlung zweier kohärenter Laserfelder auf den 6^3P2-7^3S1 und 6^3P1-7^3S1 Übergängen in Quecksilber, wurde als charakteristischer Peak im Absorptionsspektrums des 61 S0 -63 P1 Zustands gefunden. Er zeigte die vorhergesagte schmale Linienbreite und das sehr sensitive Verhalten bzgl. der Einstrahlungswinkel der drei Laser. Unter diesen Winkeln kann der Dopplereffekt kompensiert werden. Neben den kohärenten Effekten treten auch inkohärente 3-Photonenprozesse zutage. Diese führen zu Strukturen neben der eigentlichen kohärenten 3-Photonen Resonanz. Darüberhinaus ist die inkohärente Absorption der Probenstrahlung auch für eine gegenüber dem ungestörten atomaren System, verstärkten Absorption verantwortlich. Letztere Ergebnisse waren zunächst überraschend, konnten aber auf Basis des theoretischen Modells erklärt werden. Auch wenn im Experiment noch keine Verstärkung erreicht wurde, konnten mit den genauen Daten und dem theoretischen Modell ebenfalls konkrete Vorhersagen bzgl. der benötigten Leistung und Linienbreite der inkohärenten Pumpe gemacht werden, um in den Verstärkungsbereich und damit zur Möglichkeit des Lasing without Inversion zu gelangen. Demnach sind etwa 100 mW bei 80 MHz Linienbreite erforderlich. Dies ist in einem für das Experiment erreichbaren Bereich.
Publications
- Auf dem Weg zu Lasing Without Inversion in Quecksilber bei einer Wellenlänge von 253,7 nm bzw. 185 nm, Verhandl. DPG(VI) 47, 2/Q54.68, (2012)
Benjamin Rein, Thomas Walther
- Lasing Without Inversion in Quecksilber, Verhandl. DPG (IV) 48,4/Q35.96, (2013)
Benjamin Rein, Thomas Walther
- Towards Lasing Without Inversion in mercury at 253.7 nm, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2013), paper JTh2A.79
Benjamin Rein, Thomas Walther
(See online at https://doi.org/10.1364/CLEO_QELS.2013.JTh2A.79) - Feasibility of UV lasing without inversion in mercury vapor, Journal of the Optical Society of America 31 (2014) 1964-1974
Martin R. Sturm, Benjamin Rein, Thomas Walther
(See online at https://doi.org/10.1364/JOSAB.31.001964) - Auswirkung von SHG in einem Überhöhungsresonator auf die spektrale Linienbreite und das Rauschspektrum, Verhandl. DPG (VI) 50,1/Q31.71, (2015)
Benjamin Rein, Thorsten Führer, Thomas Walther
- Lasing Without Inversion in neutralem Quecksilber bei 253,7 nm, Verhandl. DPG (VI) 50,1/Q31.57, (2015)
Benjamin Rein, Thomas Walther
- Towards Lasing Without Inversion in Neutral Mercury, Journal of Physics Conference Series 594 012007 (2015)
Benjamin Rein, Martin R. Sturm, Reinhold Walser, Thomas Walther
(See online at https://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/594/1/012007) - Lasing Without Inversion in Quecksilber bei 253,7 nm, Verhandl. DPG (VI) 51,1/Q58.33, (2016)
Benjamin Rein, Jochen Schmitt und Thomas Walther
