Laser

Allerdings können nicht alle Materialien eine Besetzungsinversion und stimulierte Emission unterstützen. Die Fähigkeit dazu hängt von mehreren Faktoren ab, darunter den zulässigen Energieniveaus in den Atomen oder Molekülen, den Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen diesen Energieniveaus, der Lebensdauer angeregter Zustände (wie lange das Atom oder Molekül dazu neigt, in diesem angeregten Zustand zu bleiben), und mehrere andere Faktoren.

Materialien, die den Gewinn unterstützen können, gibt es in praktisch jeder Form von Materie – fest, flüssig und gasförmig. Konventionell werden diese üblicherweise in Kategorien eingeteilt, wie in der Tabelle dargestellt.

Laserpumpen

Um die Besetzungsinversion zu erzeugen, muss dem Verstärkungsmedium Energie von einer externen Quelle zugeführt werden. (Dieser Prozess führt zu einer stimulierten Emission, die eine Laserleistung erzeugt). Die Methode hängt vom Verstärkungsmedium ab. Am häufigsten wird die Energie in Form von Strom oder Licht bereitgestellt. Eine weniger verbreitete Methode ist die Energie, die bei einer exothermen chemischen Reaktion freigesetzt wird. 

Alle verschiedenen Verstärkungsmedien aus Festkörperkristallen und optischen Fasern sind elektrische Isolatoren. Mit anderen Worten: Sie können keinen elektrischen Strom leiten. 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 notwendigen angeregten Zustand.

Die ersten Festkörperlaser verwendeten Blitzlampen als Pumpquelle, und diese werden für einige Anwendungen noch immer verwendet. Ihr Hauptvorteil sind niedrige Kosten und die Fähigkeit, hohe Laserpulsenergie zu liefern. 

Blitzlampen erzeugen jedoch ein breites Lichtspektrum. Das Laserverstärkungsmaterial kann nur ein sehr schmales Spektrum dieses Lichts nutzen – insbesondere die Wellenlänge, die dem Energieunterschied zwischen dem Grundzustand und dem höchsten angeregten Zustand entspricht. Tatsächlich wird der größte Teil der Pumpenergie der Blitzlampe verschwendet, was diese Laser elektrisch ineffizient macht. Das bedeutet, dass sie viel Abwärme erzeugen. Daher ist ein ziemlich umfangreiches Kühlsystem erforderlich, um diese Wärme abzuleiten. 

Heutzutage ist es üblicher, Festkörper- und Faserlaser mit einem weiteren Laser zu pumpen – typischerweise einem Dioden- oder Festkörperlaser. Die Wellenlänge des Pumplasers wird gezielt so gewählt, dass sie zur Absorption des Verstärkungsmediums passt. Dies führt zu einer viel höheren Gesamtpumpeffizienz und reduziert den Kühlbedarf. 

Die Verwendung eines Lasers als Pumpquelle bietet noch einen weiteren Vorteil. Die meisten Laser erzeugen einen leicht fokussierten Strahl. Dadurch kann das Pumplicht genau dort im Verstärkungsmedium konzentriert werden, wo es den größten Nutzen bringt. Das heißt, innerhalb des so genannten „Modenvolumens”. Dies ist der Bereich innerhalb des Verstärkungsmediums, der tatsächlich vom Laserstrahl eingenommen wird. Pumplicht, das in andere Teile des Lasermediums gelangt, wird verschwendet. Das effektive Füllen des Modenvolumens maximiert die Lasereffizienz und verbessert außerdem die Qualität des Ausgangsstrahls. 

Ein gutes Beispiel für dieses Prinzip sind Faserlaser, die fasergekoppelte Diodenlaser als Pumpquelle nutzen. Diese können einfach so konfiguriert werden, dass das Pumplicht je nach Bedarf hauptsächlich in den Kern oder Mantel der Verstärkungsfaser geleitet wird – und das Ergebnis ist ein hocheffizientes Lasersystem. 

Elektrisches Pumpen kann bei Halbleiterlasern (Diodenlasern) eingesetzt werden, da es sich hierbei um Geräte handelt, die speziell zur Stromleitung bestimmt sind. Sie bestehen insbesondere aus einem Halbleiter-pn-Übergang, der in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Die angelegte Spannung liefert Energie, um genügend Elektronen aus dem Valenzband des Halbleiters in sein Leitungsband zu befördern, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Photonen werden emittiert, wenn die Elektronen und Löcher (Fehlen eines Elektrons im Valenzband) rekombinieren, und die Besetzungsinversion ermöglicht das Auftreten einer stimulierten Emission.

Es ist auch möglich, einen Halbleiterlaser optisch zu pumpen. In diesem Fall wird die Leistung eines anderen Diodenlasers in den aktiven Bereich der Diode fokussiert. Dies liefert der Pumpe Energie, anstatt elektrischen Strom zu verwenden. Durch optisches Pumpen wird der Halbleiterlaser komplexer, kann jedoch eine größere Auswahl an Laserausgangswellenlängen, eine höhere Ausgangsleistung und einen besseren Wirkungsgrad (d. h. eine geringere Wärmeentwicklung) liefern. 

Etwas komplexer ist das elektrische Pumpen von Gaslasern. Gaslaser bestehen normalerweise aus mehreren Gasen, die in einer Laserröhre enthalten sind. Mithilfe einer Hochspannung wird innerhalb der Laserröhre eine Elektronenentladung erzeugt. Diese hochenergetischen Elektronen treffen auf die Gasmoleküle und übertragen ihnen Energie. 

Bei CO₂-Lasern stoßen die Elektronen mit Stickstoffmolekülen zusammen und regen diese zu Schwingungen 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. Bei diesen erzeugt eine Elektronenentladung wiederum Kollisionen mit dem Argon- oder Kryptongas in der Laserröhre. Bei der ersten Kollision wird das Gas ionisiert. Dann liefern weitere Kollisionen mit den Ionen Energie, um sie in einen angeregten Zustand zu versetzen und eine Besetzungsinversion zu erzeugen.

Resonanzhohlräume

Normalerweise wird ein Resonanzraum (oder Resonator) verwendet, damit die Photonen das Verstärkungsmedium mehrmals durchlaufen, bevor sie den Laser verlassen. Dies ist notwendig, um eine brauchbare Laserleistung zu erzielen, da die Verstärkung bei jedem Durchgang durch das Verstärkungsmedium relativ gering ist. Eine große Ausnahme hiervon ist der Excimer-Laser, der bereits in wenigen Durchgängen eine sehr große Verstärkung (Verstärkung) bewirkt. 

Die einfachste Art von Resonanzraum besteht aus zwei einander gegenüberliegenden Spiegeln, zwischen denen sich das Laserverstärkungsmedium befindet. Der Rückspiegel reflektiert so nahe an 100 % wie möglich. Der vordere Spiegel – der sogenannte Auskoppler – kann je nach Verstärkungsmedium einen Reflexionsgrad von 30 % bis 99 % aufweisen. 

Im Betrieb springt das Licht zwischen diesen Spiegeln hin und her und gewinnt bei jedem Durchgang durch das Lasermedium an Intensität. Ein Teil des Lichts verlässt den Resonator durch den Ausgangskoppler. Daher ist die Lichtintensität im Inneren des Laserresonators immer viel höher als die Intensität des Lichts, das aus dem Gerät austritt. 

Die Endspiegel weisen häufig eine Krümmung auf, um das Licht räumlich einzuschränken (um zu verhindern, dass Photonen nach mehreren Durchgängen den Resonator verlassen) und um die Form des Strahls zu definieren.

In einem Faserlaser sind die Spiegel häufig hochreflektierende Faser-Bragg-Gitter (FGBs), die direkt in die Faser integriert sind. In diesem Fall begrenzt die Faser selbst den Strahl räumlich und definiert seine Form. Bei Diodenlasern werden die Spiegel gebildet, indem die Enden des Halbleiterbauelements gespalten und darauf optische Dünnschicht-Beschichtungen aufgebracht werden.

Die einzigartigen Eigenschaften von Laserlicht

Laser sind in den verschiedensten Anwendungsbereichen zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden. Die Wahrheit ist, dass ihre Funktionsprinzipien und Konstruktion einzigartige Strahleigenschaften bieten, die von keiner anderen Technologie dupliziert werden können. Einige der wichtigsten Eigenschaften werden hier beschrieben. 

Der erste Laser wurde im Jahr 1960 vorgestellt. Er erregte zwar einiges an Interesse und Begeisterung, blieb aber in den ersten Jahren weitgehend eine „Lösung auf der Suche nach einem Problem”. Nach und nach wurden jedoch praktische Anwendungen für den Laser entwickelt. Heutzutage sind Laser weit verbreitet und in einem außerordentlich vielfältigen Anwendungsspektrum anzutreffen. 

Laser zählen Ihre Blutzellen, wenn Sie Labortests durchführen. In vielen Kinos werden Laser zur Filmprojektion eingesetzt. Laser werden jedes Jahr für unzählige Operationen und andere medizinische Eingriffe eingesetzt. Laser schweißen Autos und spielen eine Schlüsselrolle bei der Produktion von Elektrofahrzeugen. Laser übertragen praktisch jeden Telefonanruf und den gesamten Internetverkehr über Glasfaserkabel. Laser stellen die mikroelektronischen Schaltkreise her, die die gesamte moderne Technologie antreiben. Viele Menschen tragen ständig Laser bei sich – denn in manchen Mobiltelefonen sind sie zur Entfernungsmessung integriert. Laser kennzeichnen viele Verpackungen für Konsumgüter mit Informationen wie Datumscodes und Seriennummern. Laser finden in der wissenschaftlichen Forschung zahlreiche Einsatzmöglichkeiten, von modernster Neurowissenschaft, Mikroskopie und Spektroskopie bis hin zur Schwerewellenastronomie. Heutzutage erhellen Laser tatsächlich den Weg in eine bessere Zukunft.