Was sind Laserpumpen?

Beim Laserpumpen wird einem Lasersystem Energie zugeführt, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen, bei der sich mehr Atome oder Moleküle in einem angeregten Zustand befinden als im Grundzustand. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit einer stimulierten Lichtemission und ermöglicht den Laserprozess.

Pumpen

Je nach Lasertyp kann das Pumpen durch verschiedene Methoden erreicht werden, darunter optisches Pumpen, elektrisches Pumpen und chemisches Pumpen. Unabhängig vom verwendeten Pumpverfahren besteht der Schlüssel zur Erzielung einer Laserwirkung darin, eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium zu erzeugen. Das liegt daran, dass der Lasereffekt auf einem Prozess beruht, der erstmals von Einstein beschrieben wurde und als stimulierte Emission bezeichnet wird. Dies geschieht, wenn ein angeregtes Atom oder Molekül im Verstärkungsmedium durch ein eintreffendes Photon dazu angeregt wird, ein zweites Photon derselben Wellenlänge und Phase zu emittieren. 

Dieser Verstärkungsprozess führt zu kohärentem Licht, das in Phase ist und eine einzige Wellenlänge sowie Richtung aufweist. Die Wahrscheinlichkeit, dass das angeregte Teilchen eine stimulierte Emission durchläuft, hängt jedoch sehr stark davon ab, wie viele angeregte Teilchen vorhanden sind. Folglich werden im angeregten Zustand mehr davon benötigt als im Grundzustand. Andernfalls dominieren andere Mechanismen, und die gepumpte Energie geht stattdessen als Wärme oder zufälliges Licht (spontane Emission) verloren. Der Crossover-Punkt wird manchmal auch als Pumpschwelle bezeichnet.

Schauen wir uns an, wie dies bei den gängigsten Lasertypen funktioniert.

Lasertypen werden in der Regel nach der Wahl ihres Verstärkungsmediums kategorisiert. Dabei handelt es sich um das Material, das die Pumpenergie tatsächlich in Laserlicht umwandelt. Das Verstärkungsmedium kann ein Festkörperkristall oder Glas, ein Halbleiterchip, ein Gasplasma oder eine Flüssigkeit sein.

Optisches Pumpen von Festkörperlasern

Beim optischen Pumpen muss das Anregungslicht eine Wellenlänge haben, die dem Absorptionsspektrum des Verstärkungsmediums entspricht. Wenn das Verstärkungsmedium das Anregungslicht absorbiert, werden seine Elektronen auf höhere Energieniveaus versetzt, was zu einer Besetzungsinversion führt. 

Optisches Pumpen ist die gängigste Methode zum Pumpen von Festkörperlasern, bei denen das Verstärkungsmedium ein Stück Glas oder Kristall ist. Viele Jahre lang wurde das Anregungslicht von intensiven Blitzlampen geliefert, d. h. von Lichtquellen mit hoher Intensität, die kurze Lichtstöße aussenden. Blitzlampen geben in der Regel intensives weißes Licht ab, das dann auf das Verstärkungsmedium fokussiert wird. Der erste Laser überhaupt war ein Festkörperlaser dieses Typs: ein Rubinlaser, der von einer Blitzlampe gepumpt wurde.

Diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS)

Leider erzeugen Blitzlampen Licht in einem breiten Wellenlängenspektrum, während ein Festkörper-Verstärkungsmedium normalerweise nur bei einer oder mehreren ganz bestimmten Wellenlängen absorbiert. Der größte Teil der Energie der Blitzlampen geht daher als Wärme verloren. Dies erfordert eine aktive Wasserkühlung. Zudem wird die Möglichkeit, die Laserleistung anzupassen, ohne die Qualität des Ausgangsstrahls zu beeinträchtigen, durch ein Problem namens thermische Linsenbildung eingeschränkt.

Eine Lösung, die dieses Erhitzungsproblem minderte, wurde gefunden, indem die Blitzlampen durch Diodenlaser ersetzt wurden, also durch Halbleiterchips, die elektrisch gepumpt werden – siehe unten. Die Diodenlaser sind so konzipiert, dass sie nur bei der Wellenlänge Licht erzeugen, bei der das Festkörperverstärkungsmedium bekanntermaßen Licht absorbiert. Diese Art von Laser wird wenig überraschend als diodengepumpter Festkörperlaser (DPSS) bezeichnet.

Optisches Pumpen durch andere Laser

Bei einem Farbstofflaser liegt das Verstärkungsmedium in flüssiger Form vor: ein Lösungsmittel, das einen fluoreszierenden Farbstoff enthält. Diese Laser werden optisch gepumpt, manchmal durch einen anderen Laser, manchmal durch Blitzlampen. Farbstofflaser, die nach wie vor eine eher unbedeutende Technologie darstellen, wurden früher in der wissenschaftlichen Forschung wegen ihrer Wellenlängenabstimmbarkeit eingesetzt. Heute sind die meisten Anwendungen, die eine Wellenlängenabstimmung erfordern, auf Festkörper-Alternativen auf Titanbasis umgestiegen: Saphir- (Ti:S) oder Ytterbium-Verstärkungsmedien. Gepulste Farbstofflaser, die von Blitzlampen gepumpt werden, werden jedoch gelegentlich in einer Handvoll Nischenanwendungen wie der Lithotripsie eingesetzt.

Titan: Saphir-Laser sind Festkörperlaser, bei denen das Verstärkungsmedium ein mit Titan-Ionen dotierter Saphir-Kristall ist. Diese Laser werden optisch durch eine Art grünen Laser gepumpt. Sie sind in der Wissenschaft weit verbreitet, da ihr breiter Wellenlängenbereich Anwendungen unterstützt, die eine einfache Abstimmbarkeit erfordern, wie z. B. die Fluoreszenzmikroskopie und die Durchflusszytometrie. So wird auch der gepulste Betrieb mit Impulsen von nur wenigen Femtosekunden ermöglicht, wobei eine Methode namens Mode-Locking zum Einsatz kommt.

Andere Laser nutzen optische Anregung durch Diodenlaser, darunter mit Ytterbium dotiertes Glas und mit Ytterbium dotierte Fasern, sowie Laser, die auf mit anderen Seltenerdmetallen dotierten Fasern basieren.

Elektrische Anregung von Gaslasern

Das elektrische Pumpen ist eine weitere Methode des Laserpumpens. Dabei wird ein elektrischer Strom durch das Verstärkungsmedium geleitet, um die Atome oder Moleküle anzuregen. Dies ist der Pumpmechanismus, der in praktisch allen Gaslasern zum Einsatz kommt. Dabei entsteht durch den Stromfluss durch ein Niederdruckgas ein Plasma.

Elektrische Pumpen werden zum Betrieb von Excimer-Lasern verwendet. Dabei handelt es sich um leistungsstarke Gaslaser, die Impulse von tiefem UV-Laserlicht mit sehr hohen Impulsenergien aussenden. Das einzigartige Leistungsspektrum von Excimer-Lasern ist der Schlüssel zu mehreren kritischen Prozessen bei der Herstellung von Hochleistungsbildschirmen, einschließlich solcher, die auf OLED- und den neuesten Mikro-OLED-Technologien basieren. Excimer-Laser werden auch bei refraktiven Augenoperationen (z. B. LASIK) zur Korrektur von Sehstörungen eingesetzt. Darüber hinaus etablieren sich diese Laserquellen als Arbeitspferde in vielen neuen Anwendungen der gepulsten Laserabscheidung (PLD).

Kontinuierlich arbeitende Gaslaser wie Argon-Ionen-Laser und Helium-Neon-Laser waren herausragende Beispiele, die auf elektrische Anregung angewiesen waren und eine Zeit lang Laseranwendungen im sichtbaren Wellenlängenbereich dominierten. Sie erzeugten zwar einen qualitativ hochwertigen Strahl, sind aber aufgrund der begrenzten Auswahl an Wellenlängen und der extrem geringen elektrischen Effizienz heute nur noch Nischenprodukte. Ihre früheren Anwendungen werden heute oft von Halbleiterlasern, DPSS-Lasern oder optisch gepumpten Halbleiterlasern (OPSLs) übernommen – siehe unten.

Elektrische Anregung von Halbleiterlasern

Elektrische Pumpe werden üblicherweise in Diodenlasern verwendet, die oft auch als Halbleiterlaser bezeichnet werden. Hier wird ein p-n-Übergang verwendet, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Ein p-n-Übergang ist eine Grenze zwischen zwei Arten von Halbleitern, wobei der p-Typ-Halbleiter einen Überschuss an positiv geladenen Löchern und der n-Typ-Halbleiter einen Überschuss an negativ geladenen Elektronen aufweist. Wenn eine Spannung an den p-n-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den Halbleiter injiziert, wodurch eine Besetzungsinversion entsteht und Laserlicht erzeugt wird. 

Aufgrund ihrer geringen Größe und der relativ niedrigen Kosten sind Diodenlaser heute bei weitem der häufigste Typ elektrisch gepumpter Laser. Und die Diodenlaser selbst werden häufig zum Pumpen anderer Lasertypen verwendet. Hochleistungs-Diodenlaser kommen zudem direkt in Anwendungen wie dem Kunststoffschweißen und dem Härten von Metallen zum Einsatz.

Optisch gepumpte Halbleiterlaser

Dies führt uns zu einem wichtigen und einzigartigen Lasertyp, dem optisch gepumpten Halbleiterlaser (OPSL). Dieser Laser enthält einen speziellen Halbleiterchip, der nicht durch Strom, sondern durch das Licht eines oder mehrerer Diodenlaser gepumpt wird. Der OPSL bietet mehrere einzigartige Vorteile. Seine Halbleiterkomponenten können für jede spezifische Wellenlänge in einem großen Teil des Nahinfrarotspektrums entwickelt werden. Die Wellenlänge des nahen IR kann dann auf die Frequenz des sichtbaren Bereichs verdoppelt oder sogar auf die Frequenz des UV-Bereichs verdreifacht werden, sodass Modelle mit einer unübertroffenen Auswahl an Wellenlängen entstehen. Genauso wichtig ist, dass die Ausgangsleistung von einigen Milliwatt bis zu 20 Watt skaliert werden kann. 

Beispiele für OPSLs sind die Laserfamilien Verdi, Sapphire, Genesis und OBIS von Coherent. Diese Laser sind in den Biowissenschaften weit verbreitet, insbesondere für die Durchflusszytometrie und die konfokale Mikroskopie. OPSLs werden auch in spektakulärenMulticolor-Lasershows eingesetzt, da sie eine breitere Farbpalette als jeder andere Lasertyp ermöglichen. 

Chemische Pumpen

Das chemische Pumpen ist eine selten angewandte Methode der Laseranregung, bei der eine chemische Reaktion zur Erzeugung einer Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium genutzt wird. Das chemische Pumpen wird in sehr speziellen Gaslasern eingesetzt, bei denen eine chemische Reaktion zur Anregung der Atome oder Moleküle im Gas genutzt wird. Die gängigste chemische Pumpmethode ist die Verbrennung von Wasserstoff- und Fluorgas in einem chemischen Laser, was zu einer Besetzungsinversion und Laserlicht führt.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Pumpen von Lasern ein entscheidender Prozess für die Erzeugung von kohärentem, hochintensivem Licht in Lasersystemen ist. Ob durch optische, elektrische oder chemische Mittel erreicht, der Schlüssel zum Laserpumpen ist die Erzeugung einer Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium, die eine stimulierte Emission und die Erzeugung von Laserlicht ermöglicht.