Page 56 - Microsoft Word - PHYSIK.doc

Festkörperlaser

Als Festkörperlaser werden optisch angeregte Laser bezeichnet, deren verstärkendes (aktives) Medium aus einem kristallinen oder glasartigen (amorphen) Festkörper besteht. In diesem sog. Wirtsmaterial oder Wirtskristall sind in bestimmter Konzentration (Dotierung) die laseraktiven Ionen enthalten.

Festkörperlaser werden mit Licht bzw. Infrarotstrahlung gepumpt.

Funktion

Der Wirtskristall oder ein Glas ist mit Ionen eines fremden Stoffes dotiert. Diese Fremdionen sind das eigentliche aktive Medium der Festkörperlaser.

Die für das Lasern genutzten Elektronenniveaus dieser Ionen liegen innerhalb des d-Orbitals (Titan, Chrom, Cobalt) bzw. f-Orbitals (Neodym, Erbium, Ytterbium). Diese Orbitale sind nicht an chemischen Bindungen beteiligt. Das Trägermaterial (Wirtskristall, Glas) hat daher nur geringen Einfluss auf die Laser-Eigenschaften der Ionen.

Um im aktiven Medium eine Energieaufnahme zu erreichen, müssen Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Dieser Vorgang heißt

Pumpen . Festkörperlaser werden immer optisch (d. h. durch Strahlung) gepumpt. Aus der für die Dotierungsionen charakteristischen Energiedifferenz zwischen unterem und oberem Energieniveau ergibt sich die wirksame Pumplichtwellenlänge.

Das durch Pumpen erreichte Energieniveau stimmt meist nicht mit oberem und unteren Laserniveau überein (man spricht von 3- oder 4-Niveau-Lasern): Leert sich z. B. das untere Laserniveau sehr schnell durch Gitter-Relaxationen in das untere Energieniveau, lässt sich viel leichter eine zum Lasern erforderliche Besetzungsinversion erreichen, da ja das untere Niveau kaum gefüllt ist.

Ebenso ist es hilfreich, wenn die Elektronen im oberen Laserniveau eine lange Verweildauer haben – deren Energie kann dann mit einer Güteschaltung schlagartig als Lichtpuls freigesetzt werden.

Die Betriebsart kann kontinuierlich („continous wave“ , CW) oder gepulst sein, wobei Glaslaser (außer Faserlaser) nur gepulst betrieben werden. Die Pulsung kann durch das Pumpen (Blitzlampen) oder einen resonatorinternen ( intra-cavity ) optischen Schalter (Güteschalter) erfolgen. Kombiniert man beides (hohe Pump-Spitzenleistung durch Blitzlampe, danach Freisetzung der im oberen Laserniveau gespeicherten Energie durch Öffnen des Güteschalters), sind während einiger Nanosekunden Spitzenleistungen von einigen Megawatt erreichbar.

Durch Nachverstärkung und Impulsweitung und -kontraktion sind während weniger Femtosekunden Leistungen im Petawattbereich erzielbar. Mit Festkörperlasern lassen sich die höchsten Spitzenleistungen und die kürzesten Impulsdauern aller Laserarten erzeugen.

gängige Wirtsmaterialien / Wirtskristalle

Glas (Stabform oder Faserlaser)

Vorteil: einfache Herstellung auch in großen Dimensionen

Nachteile (nicht bei Faserlasern!): geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Festigkeit

Al

2 O

3 (Korund, Saphir) (z. B. Rubin (Chrom-Dotierung), Titan:Saphir-Laser)

Vorteil: hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit

Nachteil: Dotierung führt üblicherweise zu Pumpwellenlängen bei denen kein direktes Pumpen mit Laserdioden möglich ist

YAG (Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) Dotierung Nd (Nd:YAG-Laser), Er, Yb