Laserpumpen?

Was ist 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 das Lasern.

Pump es auf

Je nach Lasertyp kann das Pumpen durch verschiedene Methoden erreicht werden, darunter optisches Pumpen, elektrisches Pumpen und chemisches Pumpen. Ungeachtet des verwendeten Pumpverfahrens besteht der Schlüssel zum Erreichen einer Laserwirkung darin, eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium zu erzeugen. Das liegt daran, dass die Laserwirkung 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 der gleichen Wellenlänge und Phase zu emittieren. 

Dieser Verstärkungsprozess resultiert in kohärentem Licht, das in Phase ist und eine einzige Wellenlänge und Richtung hat. Die Wahrscheinlichkeit, dass das angeregte Teilchen eine stimulierte Emission erfährt, hängt jedoch sehr stark davon ab, wie viele angeregte Teilchen es gibt. Folglich werden also mehr davon im angeregten Zustand als im Grundzustand benötigt. 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 ihrer Wahl des Verstärkungsmediums kategorisiert. Dies ist 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 befördert, 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 wird.

Diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS)

Leider erzeugen Blitzlampen Licht in einem breiten Spektrum von Wellenlängen, ein Festkörper-Verstärkungsmedium absorbiert normalerweise jedoch nur bei einer oder mehreren ganz bestimmten Wellenlängen. Die meiste Energie der Blitzlampen endet also als Wärme. Dies erfordert eine aktive Wasserkühlung. Außerdem ist die Möglichkeit, die Laserleistung anzupassen, ohne die Qualität des Ausgangsstrahls zu beeinträchtigen, durch ein Problem namens thermische Linsenbildung eingeschränkt.

Eine Lösung, die dieses Erhitzungsproblem reduzierte, wurde gefunden, indem die Blitzlampen durch Diodenlaser ersetzt wurden, 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 von anderen Lasern

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 immer noch eine unbedeutende Technologie sind, wurden früher in der wissenschaftlichen Forschung wegen ihrer Abstimmbarkeit der Wellenlänge eingesetzt. Heute sind die meisten Anwendungen, die eine Wellenlängenabstimmung benötigen, zu Festkörper-Alternativen auf Titanbasis übergegangen: Saphir (Ti:S) oder Ytterbium Verstärkungsmedien. Gepulste Farbstofflaser, die von Blitzlampen gepumpt werden, werden jedoch gelegentlich in einer Handvoll Nischenanwendungen wie der Lithotripsie eingesetzt.

Ti: 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 Pulsen von nur wenigen Femtosekunden ermöglicht, wobei eine Methode namens Mode-Locking zum Einsatz kommt.

Andere Laser verwenden optisches Pumpen durch Diodenlaser, darunter Ytterbium-dotiertes Glas und Ytterbium-dotierte Fasern, sowie Laser, die auf mit anderen Seltenerdmetallen dotierten Fasern basieren.

Elektrisches Pumpen von Gaslasern

Elektrisches 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 verwendet wird. Dabei wird durch den Stromfluss durch ein Niederdruckgas ein Plasma erzeugt.

Elektrisches Pumpen wird zum Betrieb von Excimer-Lasern verwendet. Dies sind leistungsstarke Gaslaser, die Pulse von tiefem UV-Laserlicht mit sehr hohen Pulsenergien aussenden. Das einzigartige Leistungsregime 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 ophthalmologischen Eingriffen (z.B. LASIK) zur Korrektur von Sehproblemen 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 elektrisches Pumpen angewiesen waren und eine Zeit lang Laseranwendungen mit sichtbaren Wellenlängen dominierten. Sie erzeugten zwar einen qualitativ hochwertigen Strahl, aber aufgrund der begrenzten Auswahl an Wellenlängen und der extrem niedrigen elektrischen Effizienz sind sie heute nur noch Nischenprodukte. Ihre früheren Anwendungen werden heute oft von Halbleiterlasern, DPSS-Lasern oder optisch gepumpten Halbleiterlasern (OPSLs) bedient – siehe unten.

Elektrisches Pumpen von Halbleiterlasern

Elektrisches Pumpen wird 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. 

Die geringe Größe und die relativ niedrigen Kosten von Diodenlasern bedeuten, dass sie heute bei weitem der häufigste Lasertyp sind, der elektrisch gepumpt wird. Und die Diodenlaser selbst werden dann häufig zum Pumpen anderer Lasertypen verwendet. Hochleistungsdiodenlaser werden auch direkt in Anwendungen wie dem Kunststoffschweißen und dem Verkleiden/Härten von Metallen eingesetzt.

Optisch gepumpte Halbleiterlaser

Dies bringt uns zu einem wichtigen und einzigartigen Lasertyp, dem optisch gepumpten Halbleiterlaser, oder OPSL. Dieser Laser enthält einen speziellen Typ von Halbleiterchip, der nicht durch Strom, sondern durch das Licht eines oder mehrerer Diodenlaser gepumpt wird. Der OPSL hat mehrere einzigartige Vorteile. Seine Halbleiterdetails 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, so dass 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 spektakulären Multicolor-Lasershows eingesetzt, da sie eine breitere Farbpalette als jeder andere Lasertyp ermöglichen. 

Chemisches Pumpen

Chemisches Pumpen ist eine selten verwendete Methode des Laserpumpens, bei der eine chemische Reaktion zur Erzeugung einer Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium eingesetzt wird. Chemisches Pumpen wird in sehr speziellen Gaslasern verwendet, 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.