Laser als Quellen elektromagnetischer Strahlung

Laser – Einteilung nach dem verwendeten aktiven Medium

Laser ist ein Akronym für den englischen Begriff Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.  Sie funktionieren nach dem Prinzip der Verstärkung des ausgestrahlten Lichts durch Erzwingen der Emission. Sie emittieren elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Bereich.  Die Funktionsweise von Lasern basiert auf erzwungener Emission, bei der angeregte Atome mit Strahlung einer definierten Energie beleuchtet werden.

Die allgemeinste Einteilung von Lasern basiert auf der Klassifizierung nach dem aktiven Medium oder der Wellenlänge der emittierten Strahlung. Unter Berücksichtigung des im Laser vorhandenen aktiven Mediums wird zwischen Gaslaser, Farbstofflaser und Festkörperlaser unterschieden.  Die Moleküle, Atome oder Ionen, aus denen ein solches Medium besteht, unterscheiden sich in ihrer Energiestruktur. Dadurch werden die wichtigsten Laserparameter bestimmt.

Im Folgenden werden die wichtigsten Beispiele für Laser in Abhängigkeit vom verwendeten aktiven Medium aufgeführt.  In Klammern sind die Bereiche der emittierten Wellenlängen angegeben:

Gaslaser

• Helium-Neon-Laser (543 nm oder 633 nm)
• Arganlaser (458 nm, 488 nm oder 514,5 nm)
• Stickstofflaser (337,1 nm)
• Kryptonlaser (647,1 nm, 676,4 nm)
• Kohlenstoffdioxidlaser (10,6 μm)

Farbstofflaser

• Farbstofflaser (400 nm – 700 nm)

Festkörperlaser

• Rubinlaser (694,3 nm)
• Neodym-Laser auf YAG
• Neodym-Laser auf Glas
• YAG-Erbium-Laser (1645 nm)
• YAG-Thulium-Laser (2015 nm)

Merkmale der ausgewählten Laser

• Argonlaser

Der Argonlaser gehört zur Gruppe der Gas-Ionen-Laser. Das aktive Medium besteht in diesem Fall aus Argon-Ionen.  Dieser Laser kann mehr als 30 Linien emittieren, die von ultraviolettem bis rotem Licht reichen.  Die Argonatome werden in dem Entladungsrohr unter einem Druck von etwa 0,1 Torr gehalten.  Die bei der Entladung entstehenden Elektronen stoßen mit den Argonatomen zusammen. Sie können direkt ihre Ionisierung und Anregung bewirken und die Atome vom Grundzustand in ein angeregtes Ion überführen. Ein anderes, effizienteres Verfahren ist die zweistufige Ionisierung von Argon. Das so entstandene Ion wird dann in einen noch höher angeregten Zustand überführt, der als oberer Laserzustand bezeichnet wird.  So lassen sich mehrere Spektrallinien mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugen.

• Helium-Neon-Laser

Der Helium-Neon-Laser ist ein Beispiel für einen Gaslaser, der 1959 entwickelt wurde.  Das Licht wird durch eine so genannte Besetzungsinversion erzeugt. Helium und Neon werden in einem Verhältnis von 10:1 (der Gesamtdruck beträgt etwa 1,3 hPa) in ein Quarzglasrohr gegeben. An ihren Enden wird eine Spannung angelegt, die Entladungen im Gas hervorruft. Dadurch entsteht im Inneren des Rohrs ein elektrostatisches Feld. Dies bewirkt, dass Elektronen und Ionen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden.  Da sich im Inneren eines solchen Lasers mehr Heliumatome befinden, treffen die beschleunigten Elektronen definitiv häufiger auf sie und regen sie zu höheren Energiezuständen an, die relativ lange stabil sind. Die angeregten Heliumatome stoßen ihrerseits mit den Neonatomen zusammen und geben Anregungsenergie an diese ab.  Bei diesem Gas sind die Anregungszeiten auf dem höheren Niveau größer als auf dem niedrigeren Niveau, so dass nach einer gewissen Zeit die so genannte Besetzungsinversion eintritt.

• Kohlenstoffdioxidlaser (molekular)

Solche Laser können sowohl im kontinuierlichen als auch im Impulsmodus arbeiten.  Das aktive Medium ist in diesem Fall ein Gemisch aus Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂₎ und Helium (He) im Volumenverhältnis 1: 1,3 : 1,7. Jedes dieser Elemente erfüllt bestimmte Funktionen. Kohlendioxid ist das aktive Gas, in Stickstoff finden elektrische Entladungen statt, die die Anregungsenergie liefern, während Helium die Aufgabe hat, das CO2-Plasma zu stabilisieren und die erzeugte Wärme abzuführen.  Die elektrischen Entladungen, die in der Mischung aus Kohlendioxid und Stickstoff stattfinden, führen zu einer sehr effizienten Anregung der N₂-Moleküle.  Da ein solches Molekül identische Kerne hat, ist der Dipolübergang verboten.  Energieverluste treten nur durch Kollisionen auf.  Wenn sich Kohlendioxidmoleküle in dem Rohr des molekularen Lasers befinden, kommt es infolge der guten Übereinstimmung der angeregten Niveaus von N₂ und CO₂ zu Kollisionen der zweiten Art, die zur Anregung der CO₂-Moleküle und zur Rückkehr der N₂-Moleküle in den Grundzustand führen.  In diesem Fall wird die Inversion in dem Gemisch viel leichter erreicht als in reinem CO₂.

• Rubinlaser

Es wurde 1960 von Theodore Maiman konstruiert. Die aktive Substanz, die für die Eigenschaften des Rubinlasers verantwortlich ist, ist Rubin (Aluminiumtrioxid, Al₂O₃, bei dem ein Teil der Aluminiumatome durch Chromatome Cr³⁺ ersetzt ist). Rubinlaser arbeiten impulsartig und senden Strahlung im sichtbaren Rotlichtbereich aus.  Der zentrale Teil des Lasers ist ein Rubinstab, über dem sich ein Blitzgerät befindet.  Der intensive Lichtblitz, der von ihm ausgeht, regt einige der Rubinatome zu einem höheren Energiezustand an. Diese wiederum regen durch das Aussenden von Photonen andere Atome an. Auf beiden Seiten des Rubinstabs befinden sich Spiegel, die diesen Effekt verstärken. Eine davon ist halbdurchlässig, und die Photonen, die durch sie entweichen, ergeben den Laserlichtstrahl. Rubinlaser sind heute hauptsächlich von historischem Interesse. Ihre Verwendung ist auf die Holografie oder die Entfernung von Tätowierungen beschränkt.