Was ist ein Laser?

Allerdings sind nicht alle Materialien für eine Besetzungsinversion stimulierte Emission geeignet. Diese Fähigkeit hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die zulässigen Energieniveaus in den Atomen oder Molekülen, die Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen diesen Energieniveaus, die Lebensdauer der angeregten Zustände (wie lange das Atom oder Molekül tendenziell in diesem angeregter Zustand verbleibt) sowie verschiedene weitere Faktoren.

Stoffe, die eine Verstärkung bewirken können, kommen in praktisch allen Aggregatzuständen vor – fest, flüssig und gasförmig. Üblicherweise werden diese in die in der Tabelle aufgeführten Kategorien eingeteilt.

Laserpumpen

Um die Besetzungsinversion zu erzeugen, muss dem Verstärkungsmedium Energie aus einer externen Quelle zugeführt werden. (Dieser Vorgang führt zur stimulierten Emission, wodurch Laserleistung entsteht.) Die Methode hängt vom jeweiligen Verstärkungsmedium ab. In den meisten Fällen wird die Energie in Form von Strom oder Licht zugeführt. Eine weniger verbreitete Methode ist die Nutzung der bei einer exothermen chemischen Reaktion freigesetzten Energie. 

Alle Arten von Festkörperkristallen und optischen Faserverstärkungsmedien sind elektrische Isolatoren; mit anderen Worten: Sie leiten keinen elektrischen Strom. Daher müssen diese Lasermaterialien optisch gepumpt werden. Das heißt, eine externe Lichtquelle wird in das Verstärkungsmedium fokussiert, und die Atome oder Moleküle des Lasermaterials absorbieren dieses Licht. Das Ergebnis: Die Atome oder Moleküle erreichen den erforderlichen angeregter Zustand.

Die ersten Festkörperlaser nutzten Blitzlampen als Pumpleistungsquelle, und diese kommen bei einigen Anwendungen auch heute noch zum Einsatz. Ihr Hauptvorteil liegt in den geringen Kosten und der Fähigkeit,Pulsenergie hohePulsenergie zu liefern. 

Blitzlampen erzeugen jedoch ein breites Lichtspektrum. Das Laser-Verstärkungsmaterial kann nur einen sehr schmalen Teil dieses Spektrums nutzen – nämlich genau jene Wellenlänge der Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und angeregter Zustand höchsten angeregter Zustand entspricht. Tatsächlich geht der größte Teil der Pumplichtenergie der Blitzlampe verloren, was diese Laser elektrisch ineffizient macht und dazu führt, dass sie viel Abwärme erzeugen. Daher ist ein recht umfangreiches Kühlsystem erforderlich, um diese Wärme abzuführen. 

Heutzutage ist es üblicher, Festkörper- und Faserlaser mit einem weiteren Laser zu pumpen – in der Regel einem Diode Festkörperlaser. Die Wellenlänge Pumplasers wird gezielt so gewählt, dass sie Absorption Verstärkungsmediums passt. Dies führt zu einer deutlich höheren Gesamtpumpeffizienz und verringert den Kühlbedarf. 

Die Verwendung eines Lasers als Pumpquelle bietet einen weiteren Vorteil. Die meisten Laser erzeugen einen leicht fokussierbaren Strahl. Dadurch kann das Pumplicht genau dort im Verstärkungsmedium konzentriert werden, wo es am meisten nützt, nämlich innerhalb des sogenannten „Modenvolumens“. Dies ist der Bereich innerhalb des Verstärkungsmediums, der tatsächlich vom Laserstrahl eingenommen wird. Pumplicht, das in andere Teile des Lasermediums gelangt, geht verloren. Eine effektive Ausfüllung des Modenvolumens maximiert die Lasereffizienz und verbessert zudem die Qualität des Ausgangsstrahls. 

Faserlaser, die fasergekoppelte Diode als Pumpleistungsquelle nutzen, sind ein gutes Beispiel für dieses Prinzip. Diese lassen sich leicht so konfigurieren, dass das Pumplicht je nach Bedarf hauptsächlich in den Kern oder den Mantel der Verstärkerfaser geleitet wird – das Ergebnis ist ein hocheffizientes Lasersystem. 

Elektrisches Pumpen kann bei Halbleiter Diode) eingesetzt werden, da diese speziell dafür ausgelegt sind, elektrischen Strom zu leiten. Sie bestehen insbesondere aus einem Halbleiter , der in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Die angelegte Spannung liefert Energie, um genügend Elektronen aus dem Valenzband Halbleiterin dessen Leitungsband zu befördern und so eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Wenn sich die Elektronen und Löcher (Fehlen eines Elektrons im Valenzband) wieder verbinden, werden Photonen emittiert, und die Besetzungsinversion die stimulierte Emission.

Es ist auch möglich, einen Halbleiter optisch zu pumpen. In diesem Fall wird die Ausgangsleistung eines anderen Diode auf den aktiven Bereich des Diode fokussiert. Dadurch wird die Pumpleistung bereitgestellt, anstatt elektrischen Strom zu verwenden. Das optische Pumpen macht den Halbleiter zwar komplexer, bietet jedoch eine größere Auswahl an Laserleistung , eine höhere Ausgangsleistung und einen besseren Wirkungsgrad (was eine geringere Wärmeentwicklung bedeutet). 

Die elektrische Anregung von Gaslasern ist etwas komplexer. Gaslaser bestehen in der Regel aus mehreren Gasen, die in einer Laserröhre eingeschlossen sind. Mit Hilfe einer Hochspannung wird eine Elektronenentladung in der Laserröhre erzeugt. Diese hochenergetischen Elektronen treffen auf die Gasmoleküle und geben Energie an sie ab. 

Bei_CO₂-Lasern stoßen die Elektronen mit Stickstoffmolekülen zusammen und regen diese in Schwingung an. Diese Stickstoffmoleküle stoßen anschließend mit_CO₂ -Molekülen zusammen und übertragen Energie auf die_CO₂- Moleküle, wodurch eine Besetzungsinversion entsteht. 

Ein weiteres Beispiel ist der Ionenlaser. Auch hier sorgt eine Elektronenentladung für Kollisionen mit dem Argon- oder Krypton-Gas im Laserröhrchen. Die erste Kollision ionisiert das Gas. Anschließend Ionen weitere Kollisionen mit den Ionen die Energie, um diese in einen angeregter Zustand zu versetzen angeregter Zustand eine Besetzungsinversion zu erzeugen.

Resonanzhohlräume

In der Regel wird ein Resonator eingesetzt, damit die Photonen das Verstärkungsmedium mehrmals durchlaufen, bevor sie den Laser verlassen. Dies ist notwendig, um eine ausreichende Laserleistung aufzubauen, da die Verstärkung bei jedem Durchlauf durch das Verstärkungsmedium relativ gering ist. Eine wichtige Ausnahme bildet der Excimerlaser, der bereits bei wenigen Durchläufen eine sehr hohe Verstärkung erzielt. 

Die einfachste Form eines Resonanzhohlraums besteht aus zwei einander gegenüberliegenden Spiegeln, zwischen denen das Laser-Verstärkungsmedium angeordnet ist. Der hintere Spiegel reflektiert nahezu 100 %. Der vordere Spiegel – der sogenannte Ausgangskoppler – kann je nach Verstärkungsmedium ein Reflexionsvermögen zwischen 30 % und 99 % aufweisen. 

Im Betrieb wird das Licht zwischen diesen Spiegeln hin und her reflektiert und gewinnt bei jedem Durchlauf durch das Lasermedium an Intensität. Ein Teil des Lichts tritt über den Ausgangskoppler aus dem Resonator aus. Daher Laserresonator die Lichtintensität innerhalb des Laserresonator stets wesentlich höher als die Intensität des Lichts, das aus dem Gerät austritt. 

Die Endspiegel weisen häufig eine Krümmung auf, um das Licht räumlich einzuschränken (damit die Photonen nach mehreren Durchläufen nicht aus dem Resonator „herauswandern“) und die Form des Strahls zu definieren.

Bei einem Faserlaser handelt es sich bei den Spiegeln häufig um hochreflektierende Faser-Bragg-Gitter FGBs), die direkt in die Faser integriert sind. In diesem Fall begrenzt die Faser selbst den Strahl räumlich und bestimmt dessen Form. Bei Diode werden die Spiegel hergestellt, indem die Enden des Halbleiter abgeschnitten und mit optischen Dünnschichtbeschichtungen versehen werden.

Die besonderen Eigenschaften von Laserlicht

Laser sind in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden. Tatsächlich bieten ihre Funktionsweise und ihr Aufbau einzigartige Strahleigenschaften, die von keiner anderen Technologie erreicht werden können. Einige der wichtigsten Eigenschaften werden hier beschrieben. 

Der erste Laser wurde 1960 vorgeführt. Obwohl er einiges an Interesse und Begeisterung weckte, blieb er in den ersten Jahren weitgehend eine „Lösung auf der Suche nach einem Problem“. Doch nach und nach wurden praktische Anwendungen für den Laser entwickelt. Heute sind Laser allgegenwärtig und kommen in einer außerordentlich vielfältigen Bandbreite von Anwendungen zum Einsatz. 

Laser zählen Ihre Blutzellen, wenn Sie Laboruntersuchungen durchführen lassen. In vielen Kinos werden Laser zur Projektion von Filmen eingesetzt. Jedes Jahr werden Laser für unzählige Operationen und andere medizinische Eingriffe genutzt. Laser schweißen Autos und spielen eine Schlüsselrolle bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen. Laser übertragen praktisch jeden Telefonanruf und den gesamten Internetverkehr über Glasfaserkabel. Laser stellen die mikroelektronischen Schaltkreise her, die alle modernen Technologien antreiben. Viele Menschen tragen Laser ständig bei sich – da sie in einigen Mobiltelefonen zur Entfernungsmessung eingebaut sind. Laser markieren viele der Verpackungen für Konsumgüter mit Informationen wie Datumscodes und Seriennummern. Laser finden in der wissenschaftlichen Forschung zahlreiche Anwendungen, von modernster Neurowissenschaft, Mikroskopie und Spektroskopie bis hin zur Gravitationswellenastronomie. Heute weisen Laser tatsächlich den Weg in eine bessere Zukunft.