Was sind Festkörperlaser?

Festkörperlaserist ein Laser, dessen lichtemittierendes Medium ein festes Material ist, normalerweise ein Kristall oder Glas, das mit Ionen seltener Erden oder Übergangsmetalle dotiert ist, und nicht eine Flüssigkeit oder ein Gas.

Festkörperlaser emittieren Laserlicht über einen weiten Wellenlängenbereich, von Ultraviolett (UV) bis Infrarot (IR), abhängig von der Wahl des Dotierstoffs und der Zusammensetzung des Kristalls oder Glases. Die Ausgangsleistung kann je nach Laserdesign, Verstärkungsmedium und Pumpmechanismus zwischen Milliwatt (mW) und mehreren Watt (W) oder sogar höher liegen.

Festkörperlaser bestehen hauptsächlich aus zwei Teilen: einem festen Wirtsmaterial und aktiven Ionen, die in das Wirtsmaterial dotiert sind. Aktive Ionen müssen bestimmte Eigenschaften aufweisen, wie etwa scharfe Fluoreszenzlinien, breite Absorptionsbanden und eine hohe Quanteneffizienz bei der gewünschten Wellenlänge. Andererseits sollte das Wirtsmaterial Eigenschaften wie Festigkeit, Bruchfestigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und optische Qualität aufweisen.

Nach der Dotierung mit Seltenerdionen weisen sowohl Glas als auch kristalline Materialien diese gewünschten Eigenschaften auf. Geeignete Wirtsmaterialien umfassen Silikatglas, Phosphatglas und verschiedene kristalline Materialien wie Granat, Aluminat, Metalloxid, Fluorid, Molybdat, Wolframat usw. Zu den häufig verwendeten aktiven Ionen gehören auch Seltenerdionen wie Neodym, Erbium und Holmium als Übergangsmetalle wie Chrom, Titan und Nickel.

Zu den bekannten Festkörperlasern gehören Rubinlaser, Nd:YAG-Laser, Nd:Glas-Laser, Nd:Cr:GSGG-Laser, Er:Glas-Laser, Alexandrit-Laser und Titan:Saphir-Laser.

Festkörperlaser können entweder im Dauerstrichmodus (CW) arbeiten, der eine kontinuierliche Laserleistung erzeugt, oder im Impulsmodus, der kurze Impulse von Hochleistungslaserlicht erzeugt.

Bau von Festkörperlasern

Um einen Festkörperlaser herzustellen, muss ein Laserstab in der Nähe einer Bogenlampe oder Blitzlampe installiert werden. Die Lampenröhre ist an eine Stromquelle angeschlossen. Der Laserstab und das Lampenrohr sind parallel angeordnet und von einem Reflektor umgeben. An beiden Enden des Laserhohlraums sind ein hochreflektierender Spiegel und ein Ausgangskoppler angebracht. Um überschüssige Wärme abzuführen, wird der Laser über ein Kreislaufsystem gekühlt, meist mit Kühlwasser oder einem Glykolgemisch.

Energiediagramm eines Festkörperlasers
Das aktive Medium von Festkörperlasern ist ein festes Material. Im Allgemeinen werden alle Festkörpermaterialien optisch gepumpt, das heißt, eine Lichtquelle wird als Energiequelle verwendet und auf das Verstärkungsmedium angewendet. Nach Aufnahme der Pumpenergie werden die Elektronen im Verstärkungsmedium auf ein höheres Energieniveau angeregt. Im angeregten Zustand springen einige Elektronen von einem höheren Energieniveau auf ein bestimmtes übertragbares Energieniveau.

Im Vergleich zu anderen angeregten Zuständen ist die Lebensdauer des Übergangszustands länger, sodass er Energie speichern und akkumulieren kann. Wenn das Elektron im Übergangszustand wieder in den Grundzustand übergeht, wird ein Photon mit einer bestimmten Energie und Wellenlänge freigesetzt. Dieser Vorgang wird stimulierte Emission genannt und erzeugt kohärentes Licht.

Die erzeugten Photonen werden mehrfach zwischen Spiegeln oder anderen reflektierenden Elementen im Laserhohlraum reflektiert. Dieser Rückkopplungsmechanismus verstärkt die stimulierte Emission und erzeugt einen intensiven Laserstrahl. Der verstärkte Teilstrahl tritt durch einen der Teilreflektoren aus und bildet den Laserausgang.

Der Ausgangsstrahl hat normalerweise eine schmale Linienbreite, die durch eine bestimmte Wellenlänge gekennzeichnet ist, die mit der Energiedifferenz zwischen dem Übergangszustand und dem Grundzustand zusammenhängt.

Vorteile von Festkörperlasern:
1. Bei Festkörperlasern kommt es im Vergleich zu Gaslasern im Allgemeinen nicht zu Materialverlusten, da sich das Lasermedium in einem festen Zustand befindet. Das aktive Medium in einem Festkörperlaser, beispielsweise ein Kristall oder Glas, behält seine Zusammensetzung bei und wird während des Betriebs weder verbraucht noch erschöpft.
3. Festkörperlaser können sowohl kontinuierliche als auch gepulste Leistung erzeugen.
4. Ihr Aufbau ist relativ einfach.
Nachteile von Festkörperlasern:
1. Festkörperlaser wandeln Eingangsenergie weniger effizient in Laserausgang um.
2. Die Divergenz des Laserstrahls ist nicht konstant und kann zwischen 1 Milliradian und 20 Milliradian variieren.
3. Wenn der Laserstab überhitzt ist, kann es zu einem Leistungsverlust kommen.

Anwendungen von Festkörperlasern:
Festkörperlaser haben ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Bereichen. Zu den Anwendungen von Festkörperlasern gehören neben der Spektroskopie und der Telekommunikation
Materialbearbeitung: Festkörperlaser werden häufig zum Schneiden, Bohren, Schweißen und Gravieren verschiedener Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Keramik und Verbundwerkstoffe eingesetzt. Sie sind hochpräzise und können sowohl Makro- als auch Mikroverarbeitungsaufgaben bewältigen.
Medizin und Biomedizin: Diese Laser werden in medizinischen Verfahren wie Laserchirurgie, Dermatologie (z. B. Entfernung von Tätowierungen), Augenheilkunde (z. B. Sehkorrektur), Zahnheilkunde und Kosmetik eingesetzt. Sie können Gewebe präzise anvisieren und abtragen, ohne die umliegenden Bereiche zu schädigen.
Wissenschaftliche Forschung: Wichtige Werkzeuge für die wissenschaftliche Forschung, darunter Spektroskopie, Fluoreszenzbildgebung, Teilchenbeschleunigung und die Untersuchung ultraschneller Phänomene. Sie sind in der Lage, präzise steuerbare Lichtquellen für die Untersuchung von Materialien und grundlegenden physikalischen und chemischen Prozessen bereitzustellen.
Verteidigung und Sicherheit: Diese Laser werden in Verteidigungs- und Sicherheitsanwendungen eingesetzt, darunter Laser-Zielmarkierungen, Entfernungsmesser, gerichtete Energiewaffen und Laser-Gegenmaßnahmen. Sie bieten präzise und leistungsstarke Lichtquellen für Militär-, Luft- und Raumfahrt- sowie Sicherheitszwecke.
Telekommunikation: Festkörperlaser spielen eine wichtige Rolle in faseroptischen Kommunikationssystemen und fungieren als optische Verstärker und Lichtquellen zur Übertragung von Signalen über große Entfernungen mit hohen Datenraten.

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