Was ist ein gepumpter Laser?

Unter Laserpumpen versteht man die Zufuhr von Energie in ein Lasersystem, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen, d. h. einen Zustand, in dem die Anzahl der Atome oder Moleküle im angeregten Zustand die Anzahl der Atome oder Moleküle im Grundzustand übersteigt. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit der stimulierten Strahlung und führt somit zur Erzeugung von Laserlicht.

Pumpspeicher

Je nach Art des Lasers gibt es verschiedene Möglichkeiten der Anregung, darunter optische, elektrische und chemische Anregung. Unabhängig von der gewählten Anregungsmethode ist die Erzeugung der Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium der entscheidende Faktor für die Laserstrahlung. Dies liegt daran, dass die Laserstrahlung auf einem als stimulierte Emission bezeichneten Prozess beruht. Dieser Prozess wurde erstmals von Einstein beschrieben. Werden die Atome oder Moleküle im angeregten Zustand des Verstärkungsmediums durch eingestrahlte Photonen angeregt, senden sie ein zweites Photon mit derselben Wellenlänge und Phase aus. 

Dieser Verstärkungsprozess führt zur Entstehung von kohärentem Licht. Kohärentes Licht weist eine einheitliche Wellenlänge und Richtung auf. Die Wahrscheinlichkeit, dass Teilchen im angeregten Zustand eine stimulierte Emission auslösen, hängt jedoch in hohem Maße von der Anzahl dieser Teilchen ab. Daher muss die Anzahl der Teilchen im angeregten Zustand größer sein als die der Teilchen im Grundzustand. Andernfalls würden andere Mechanismen überwiegen, und die Pumparbe würde in Form von Wärme oder stochastischem Licht (spontane Emission) verloren gehen. Dieser Wendepunkt wird manchmal als Pumpschwelle bezeichnet.

Schauen wir uns einmal an, wie dieser Vorgang bei den gängigsten Lasertypen abläuft.

Lasertypen werden in der Regel nach dem verwendeten Verstärkungsmedium klassifiziert. Das Verstärkungsmedium ist das Material, das die Pumpenergie in Laserenergie umwandelt. Als Verstärkungsmedium kommen Festkörperkristalle oder Glas, Halbleiterchips, Gasplasma oder Flüssigkeiten in Frage.

Lichtgepumpter Festkörperlaser

Bei der optischen Pumpung muss die Wellenlänge des Anregungslichts mit dem Absorptionsspektrum des Verstärkungsmediums übereinstimmen. Nachdem das Verstärkungsmedium das Anregungslicht absorbiert hat, werden seine Elektronenenergieniveaus angehoben, was zu einer Besetzungsinversion führt. 

Die Lichtpumpe ist die gängigste Methode zur Anregung von Festkörperlasern, bei denen das Verstärkungsmedium aus Glas oder einem Kristall besteht. Seit vielen Jahren wird das Anregungslicht von Hochleistungsblitzlampen geliefert, einer Lichtquelle, die kurze Lichtimpulse mit hoher Intensität erzeugt. Blitzlampen strahlen in der Regel intensives weißes Licht aus, das dann auf das Verstärkungsmedium fokussiert wird. Der erste Laser der Geschichte war ein Festkörperlaser dieses Typs: ein durch Blitzlampen gepumpter Rubinlaser.

Diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS)

Leider erzeugt ein Blitzlicht einen sehr breiten Wellenlängenbereich, während Festkörper-Verstärkungsmedien in der Regel nur eine oder einige ganz bestimmte Wellenlängen absorbieren. Daher wird ein Großteil der Energie des Blitzlichts letztendlich in Wärme umgewandelt. Aus diesem Grund erfordern solche Laser eine aktive Wasserkühlung. Dies schränkt zudem die Möglichkeit ein, die Laserleistung anzupassen, ohne die Qualität des Ausgangsstrahls zu beeinträchtigen, da dies zu einem als „thermische Linsenwirkung“ bezeichneten Problem führen würde.

Um dieses Erwärmungsproblem zu verringern, können Halbleiterlaser anstelle von Blitzlampen eingesetzt werden. Halbleiterlaser sind elektrisch gepumpte Halbleiterchips – siehe unten. Halbleiterlaser sind so konzipiert, dass sie nur Licht in Wellenlängen erzeugen, die von dem bekannten Festkörper-Verstärkungsmedium absorbiert werden können.Daher ist es nicht verwunderlich, dass diese Art von Lasernals diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS-Laser) bezeichnet wird.

Lichtpumpe durch andere Laser

In Farbstofflasern liegt das Verstärkungsmedium in flüssiger Form vor: ein Lösungsmittel, das fluoreszierende Farbstoffe enthält.Diese Laser werden optisch gepumpt, wobei die Pumpe manchmal von einem anderen Laser und manchmal von einem Blitzlicht bereitgestellt wird. Farbstofflaser waren stets eine Nischentechnologie, die aufgrund ihrer Wellenlängenabstimmbarkeit früher für wissenschaftliche Forschungszwecke genutzt wurde. Heute werden jedoch für die meisten Anwendungen, die eine Wellenlängenabstimmung erfordern, titanbasierte Festkörperalternativen eingesetzt: Saphir (Ti:S) oder Ytterbium-Verstärkungsmedien. Dennoch werden pulsierende Farbstofflaser, die durch Blitzlicht gepumpt werden, gelegentlich in einigen Nischenanwendungen eingesetzt, wie beispielsweise bei der Lithotripsie.

Titan-Saphir-Laser sindFestkörperlaser, deren Verstärkungsmedium aus mit Titanionen dotierten Saphirkristallen besteht. Diese Laser werden durch einen bestimmten Typ von Grünlichtlaser optisch gepumpt.Diese Art von Lasern findet in der Wissenschaft breite Anwendung, da sie Laserlicht über einen breiten Wellenlängenbereich erzeugen können und sich für Anwendungen eignen, die eine einfache Abstimmung erfordern, wie beispielsweisedie Fluoreszenzmikroskopie und die Durchflusszytometrie. Diese Laser ermöglichen zudem den gepulsten Betrieb. Durch den Einsatz einer als Modenkopplung bezeichneten Methode lassen sich Impulse erzielen, dienur wenige Femtosekunden lang sind.

Andere Laser nutzen Halbleiterlaser zur optischen Anregung, darunter Ytterbium-dotierte Glas- und Ytterbium-dotierte Faserlaser sowie Laser, die auf mit anderen Seltenerdmetallen dotierten Fasern basieren.

Elektrische Anregung von Gaslasern

Die elektrische Pumpung ist eine weitere Methode der Laserpumpung, bei der ein elektrischer Strom durch das Verstärkungsmedium geleitet wird, um Atome oder Moleküle anzuregen. Fast alle Gaslaser nutzen diesen Pumpmechanismus, bei dem der Strom durch ein unter Druck stehendes Gas fließt und so ein Plasma erzeugt.

Elektrische Pumpendienen zur Energieversorgung von Excimer-Lasern. Diese Gaslaser sind äußerst leistungsstark und senden hochenergetische Laserimpulse im tiefen Ultraviolettbereich aus. Die einzigartigen Eigenschaften von Excimer-Lasern sind entscheidend fürmehrerewichtige Verfahren zur Herstellungvon Hochleistungsdisplays, darunter Displays auf Basis von OLED- und modernster Micro-OLED-Technologie. Excimer-Laser werden auchin der refraktiven Augenchirurgie(z. B. LASIK) zur Korrektur von Sehfehlern eingesetzt.Darüber hinaus entwickeln sie sich zur wichtigsten Laserquelle in vielen neuen Anwendungen der gepulsten Laserdeposition (PLD).

Kontinuierlich strahlende (CW) Gaslaser,wie Argon-Ionen-Laser und Helium-Neon-Laser, sindherausragende Beispiele für elektrisch gepumpte Laser und dominierten einst Laseranwendungen, die sichtbares Licht erforderten. Obwohl sie eine hohe Strahlqualität erzeugen, sind ihre Wellenlängenauswahl begrenzt und ihre elektrische Effizienz äußerst gering, weshalb sie heute nur noch Nischenprodukte sind. Anwendungen, für die früher solche Laser eingesetzt wurden, werden heute in der Regel mit Halbleiterlasern,DPSS-Laser oder optisch gepumpte Halbleiterlaser (OPSL) – siehe unten.

Elektrische Anregung von Halbleiterlasern

Die elektrische Pumpung wird üblicherweise bei Halbleiterlasern eingesetzt, bei denen ein p-n-Übergang zur Erzeugung der Teilchenzahlinversion genutzt wird. Der p-n-Übergang ist die Grenze zwischen zwei Arten von Halbleitern, wobei der p-Halbleiter einen Überschuss an positiv geladenen Löchern und der n-Halbleiter einen Überschuss an negativ geladenen Elektronen aufweist.Wenn an den p-n-Übergang eine Spannung angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den Halbleiter injiziert, wodurch eine Besetzungsinversion entsteht und die Laseremission ausgelöst wird. 

Halbleiterlaser sind kompakt und relativ kostengünstig und daher derzeit die am häufigsten verwendete Art von elektrisch gepumpten Lasern. Halbleiterlaser selbst werden zudem häufigzum Pumpen anderer Lasertypeneingesetzt.Hochleistungs-Halbleiterlaserkommen zudem direkt in Anwendungen wie dem Kunststoffschweißen und der Metallbeschichtung bzw. -härtung zum Einsatz.

Lichtgepumpter Halbleiterlaser

Nun möchten wir einen wichtigen und einzigartigen Lasertyp vorstellen, nämlich den optisch gepumpten Halbleiterlaser, auch OPSL genannt. Dieser Lasertyp umfasst einen speziellen Halbleiterchip, der nicht durch elektrischen Strom, sondern durch das Licht eines oder mehrerer Halbleiterlaser gepumpt wird. OPSLs bieten mehrere einzigartige Vorteile. Ihre Halbleiterstruktur kann auf jede beliebige Wellenlänge im nahen Infrarotbereich ausgelegt werden.Anschließend kann die Frequenz der Nahinfrarotwellenlänge verdoppelt werden, um die Frequenz des sichtbaren Lichts zu erreichen, oder sogar verdreifacht, um eine UV-Ausgabe zu erzielen, wodurch sich der Wellenlängenbereich dieser Lasertypen erheblich erweitert. Ebenso wichtig ist, dass die Ausgangsleistung von einigen Milliwatt bis auf 20 Watt gesteigert werden kann. 

Zu den Beispielen von OPSL gehört Coherent Verdi,Sapphire,Genesis und OBIS-Laser. Diese Laser finden breite Anwendung in den Biowissenschaften, insbesondere in der Durchflusszytometrie und der konfokalen Mikroskopie. OPSL-Laser werden auch für spektakuläre mehrfarbigeLasershowseingesetzt, da sie mehr Farben bieten als jeder andere Lasertyp. 

Chemiepumpe

Die chemische Pumpung ist ein selten verwendetes Verfahren zur Laserpumpung, bei dem durch chemische Reaktionen eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium erzeugt wird. Die chemische Pumpung kommt in sehr speziellen Gaslasern zum Einsatz, bei denen Atome oder Moleküle im Gas durch chemische Reaktionen angeregt werden. Das gängigste Verfahren der chemischen Pumpung ist die Verbrennung von Wasserstoff und Fluor in chemischen Lasern, wodurch eine Besetzungsinversion und die Laseremission hervorgerufen werden.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Laserpumpung ein entscheidender Prozess zur Erzeugung von hochintensivem, hochfrequentem Licht in Lasersystemen ist. Unabhängig davon, ob sie durch optische, elektrische oder chemische Verfahren erfolgt, besteht der Kern der Laserpumpung darin, im Verstärkungsmedium eine Teilchenzahlinversion zu erzeugen, um so die stimulierte Emission und die Erzeugung von Laserlicht zu ermöglichen.