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1999 | Buch | 5. Auflage

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Laser

verfasst von: Prof. Dr. sc. nat. Fritz Kurt Kneubühl, Prof. Dr. sc. nat. Markus Werner Sigrist

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

Buchreihe : Teubner Studienbücher Physik

Enthalten in: Professional Book Archive

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Über dieses Buch

Seit vielen Jahren halten wir an der ETH Zürich einführende und fortge schrittene Laser-Vorlesungen für Studierende der Physik ab 5. Semester und für Doktorierende. Eine derartige Vorlesung ist an der ETH Zürich für Phy sikerlnnen seit 1990 obligatorisch. Da zudem Laser und ihre Anwendungen in der Technik immer bedeutsamer werden, gibt es seit einiger Zeit auch Laser-Vorlesungen für Studierende der Ingenieurwissenschaften. Unter die sem Gesichtspunkt kamen wir zum Schluß, unseren immer zahlreicheren Studierenden anstelle unserer eigenen vervielfältigten Vorlesungsnotizen ein Laser-Buch zu empfehlen. Wir fanden jedoch, daß die vorliegenden, meist älteren deutschsprachigen Laser-Lehrbücher unseren Wünschen nicht voll entsprachen. Nachdem von verschiedener Seite Interesse bekundet wurde, unsere Vorlesungsnotizen nach Überarbeitung als Buch zu ver öffentlichen, haben wir uns nach verständlichem Zögern darauf eingelassen. Maßgebend dafür war auch die Bereitschaft von Dr. Robert Kesselring, dipl. Phys. ETH, mitzuwirken und uns mit Rat, Tat und Kritik beizustehen. Auch letzteres war uns wichtig, da er die Vor- und Nachteile unseres Unter richts als Assistent und ehemaliger Hörer kannte. Ihm sind wir zu großem Dank verpflichtet, ebenso unseren vielen Fachkollegen und -kolleginnen in Ost und West, weIche uns seit über drei Jahrzehnten bei jedem Treffen neue Erkenntnisse über Laser mitteilen. Wir hoffen, daß sie, vor allem aber auch die Studierenden, dieses Buch willkommen heißen. Das vorliegende Werk ist gedacht als Lehr- und Sachbuch für Physiker, Ingenieure und Naturwissenschafter an Hochschulen und in der Industrie.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einleitung

Zusammenfassung

Die Bezeichnung LASER ist die Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Der Laser beruht auf dem gleichen Prinzip wie der zuvor erfundene Maser. MASER steht für „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, oder, wie böse Zungen kurz nach der Entdeckung im Jahre 1954 spotteten, „Means of Attaining Support for Expensive Research“. Als der Laser 1960 erfunden wurde, bezeichnete man ihn als „optical maser“ oder „infrared maser“. Erst seit etwa 1965 verwendet man allgemein das Wort Laser. Etwa um die gleiche Zeit spielte man mit den Begriffen IRASER und SMASER anstelle der heute üblichen Infrarot-Laser und Submillimeterwellen-Laser.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

Allgemeine Grundlagen

1. Elektromagnetische Strahlung

Zusammenfassung

Laser emittieren monochromatische kohärente elektromagnetische Strahlung im riesigen Wellenlängenbereich, der von den Millimeterwellen via Licht bis zur Röntgen-Strahlung reicht. Eine Übersicht über das elektromagnetische Spektrum in diesem Bereich gibt Tab. A 1 dieses Buches. Als neuartige Strahlungsquelle mit bisher unerreichten Eigenschaften revolutioniert der Laser die klassische Optik und verwandte Gebiete. Fast alle Begriffe der klassischen Optik und der Quantentheorie des Lichtes bekommen dadurch eine größere, ja sogar neue Bedeutung: elektromagnetische Wellen und Photonen, Beugung, Interferenz, Kohärenz, Polarisation, Photonenstatistik, Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Elementarteilchen, Atomen, Molekülen, kondensierte Materie, Plasmen, etc. Im vorliegenden Kapitel wollen wir uns nur mit den Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung befassen, welche für viele vielleicht ungewohnt, jedoch für Laser relevant sind: Wellen- und Teilchennatur, Kohärenz und Photonenstatistik. Betreffend die für die Laser sonst wichtigen Begriffe der Optik, wie z. B. Beugung, Interferenz, Polarisation, verweisen wir auf Lehrbücher der Optik [Born 1933/1981, Born & Wolf 1959, Ditchburn 1976, Klein & Furtak 1988, Kneubühl 1994, 1997, Lipson & Lipson 1969, Meyer-Arendt 1972, Möller 1988, Schilling 1980].

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

2. Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit atomaren Systemen

Zusammenfassung

Von großer Bedeutung für das Funktionieren eines Lasers ist die Wechselwirkung zwischen der elektromagnetischen Strahlung und atomaren Systemen. In diesem Kapitel beschreiben wir die Prozesse der Absorption und Emission von Photonen durch ein atomares System. Für Zweiniveau-Systeme werden dazu die Bilanzgleichungen abgeleitet, mit denen entschieden werden kann, ob und wann Verstärkung der einfallenden Strahlung auftritt. Es wird anschließend untersucht, ob Systeme im thermodynamischen Gleichgewicht überhaupt für den Laserprozeß benützt werden können.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

3. Prinzip der Laser

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird das Prinzip der Laser erläutert. Zuerst werden die Bedingungen für kohärente Lichtverstärkung hergeleitet. Laser bestehen im wesentlichen aus einem strahlenden Medium und einer Strahlungsrückkopplung. Das laseraktive Medium wird weitgehend durch das Strahlungsspektrum beschrieben, welches meist durch charakteristische Spektrallinien gekennzeichnet ist. Die Strahlungsrückkopplung erfolgt durch optische Resonatoren und verwandte Vorrichtungen. Spektrallinien und Resonatoren werden in den beiden folgenden Kapiteln 4 und 5 ausführlich beschrieben. Im vorliegenden Kapitel begnügen wir uns vorerst mit den notwendigen Hinweisen auf ihre Bedeutung und Eigenschaften. Dagegen befassen wir uns vor allem mit dem Begriff der Besetzungsinversion. In diesem Sinne leiten wir die Schwellenbedingung für die Besetzungsinversion eines laseraktiven Mediums in einem Resonator her. In der Folge geben wir eine Übersicht über die verschiedenen Methoden, Besetzungsinversionen zu erzeugen, d. h. über die Anregungsarten der Laseremission. Schließlich untersuchen wir das zeitliche Verhalten der Populationsinversion und der Strahlung im Resonator.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

4. Spektrallinien

Zusammenfassung

In Kapitel 3.2 haben wir bereits darauf hingewiesen, daß die Übergänge zwischen zwei Energieniveaus E ₁ und E ₂ in Wirklichkeit nicht als streng monochromatische Spektrallinie mit der Resonanzfrequenz

$$v_0 = \left( {E_2 - E_1 } \right)/h$$

(4.1)

erscheint, sondern als Spektrallinie mit endlicher Linienbreite Av. Diese wird im allgemeinen durch eine in Fig. 3.1 illustrierte Linienformfunktion g(v) beschrieben, welche die bereits erwähnten Bedingungen (3.5) und (3.6) erfüllt. Im vorliegenden Kapitel sollen die verschiedenen Linienformfunktionen beschrieben und begründet werden.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

Laser-Resonatoren und Wellenleiter

5. Spiegel-Resonatoren

Zusammenfassung

Die Ausbreitung von Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung läßt sich durch Strahlenoptik d. h. geometrische Optik,unter der Voraussetzung beschreiben, daß die Abmessungen d und Krümmungsradien R der betrachteten optischen Elemente viel größer sind als die Wellenlängen λ der elektromagnetischen Strahlung

$$d,R \gg \lambda$$

(5.1)

In der Laser-Physik dient die Strahlenoptik vor allem zur Beschreibung der Spiegel-Resonatoren Sie bildet die Grundlage der Stabilitätskriterien von Resonatoren (Kap. 5.2).

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

6. Wellenleiter

Zusammenfassung

Konventionelle optische Laser-Resonatoren (Kap. 5), wie z. B. Fabry-Perot- Resonatoren oder Resonatoren mit sphärischen Spiegeln, zeigen enorme Beugungsverluste für kleine Fresnel-Zahlen F, d. h. für

$$F = a^2 /L\lambda \leqslant 1.$$

(6.1)

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

7. Periodische Laserstrukturen

Zusammenfassung

In konventionellen Lasern wird die Rückkopplung der Strahlung ins laseraktive Medium durch Reflexion an den Resonator-Spiegeln erzielt. Ein schwerwiegender Nachteil dieser Art Rückkopplung sind die praktisch gleichen Beugungsverluste aller longitudinalen Grundmoden im Frequenzabstand c/2L, was oft den Einmoden-Betrieb eines Lasers erschwert oder gar verhindert. Dies ist der Fall bei Farbstoff-, Festkörper- und Gaslasern mit hohem Gasdruck.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

8. Moden-Selektion

Zusammenfassung

In Spiegelresonatoren unterscheiden sich die verschiedenen longitudinalen Moden TEM_00q (q ≫ 1) und meistens auch die transversalen Moden TEM_pℓq (q ≫ 1, pl ≠ 00) oder TEM_mnq (q ≫ 1, mn ≠ 00) in ihrer Frequenz (vgl. Kap. 5). Der Frequenzabstand ∆v _q+1,q benachbarter longitudinaler Moden beträgt c/2L, wobei L die Resonatorlänge bedeutet. Für L = 10 cm wird ∆v _q+1,q = 1,5 GHz, für L = 1 m ist ∆v _q+1,q= 150 MHz. Der Frequenzabstand höherer transversaler Moden TEM_pℓq oder TEM_mnq vom Grundmode TEM_00q ist von derselben Größenordnung. Die Linienbreite der Verstärkung eines laseraktiven Mediums ist demgegenüber meist erheblich größer. Sie beträgt beispielsweise für Gaslaser aufgrund der Doppler-bzw. Druckverbreiterung (vgl. Kap. 4.5 bzw. 4.4) einige GHz im optischen Bereich, für Farbstofflaser (vgl. Kap. 13) oder Festkörperlaser (vgl. Kap. 15) ist sie beträchtlich größer. Aus diesem Grunde liegen meist viele Moden innerhalb des Verstärkungsprofiles des Lasermediums wie Fig. 8.1 zeigt.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

Laserpulse

9. Q-Switch

Zusammenfassung

Laser dienen nicht nur als Quellen möglichst monochromatischer elektromagnetischer Strahlung im kontinuierlichen Betrieb, englisch „continuous wave oder cw“, sondern auch zur Erzeugung von Strahlung möglichst hoher Intensität im Pulsbetrieb. Seit der Entwicklung der ersten Laser ist man im Hinblick auf verschiedene Anwendungen bestrebt, möglichst hohe Ausgangsleistungen zu erzielen. Dies betrifft den Einsatz von gepulsten Lasern sowohl in der nichtlinearen Optik, als auch zur Induzierung von chemischen Reaktionen, zur Entfernungsmessung, zur Materialbearbeitung, insbesondere Bohren, zur Plasmadiagnostik sowie zur Plasmaerzeugung und Auslösung thermonuklearer Reaktionen in der Erforschung der Laser-Fusion.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

10. Ultrakurze Laserpulse

Zusammenfassung

Als ultrakurz bezeichnet man Laserpulse mit einer Dauer im ps- oder fs-Bereich [Diels & Rudolph 1996, Keller 1994, 1997, Koechner 1996]. Wenige Jahre nach der Realisierung des Rubinlasers wurden erstmals ps-Pulse durch passive Modenkopplung eines Riesenpuls-Rubinlasers erzeugt [Mocker & Collins 19651, wenig später folgte der Nd : Glas-Laser [ De Maria et al. 1966]. Seither wurden die Techniken zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse weiter entwickelt, sodaß es heute möglich ist, Bandbreitenbegrenzte Pulsdauern sowohl von gepulsten wie auch von cw Lasern zu erhalten. Die momentan kürzesten Pulsdauern betragen für Farbstofflaser ca. 6 fs bei ca. 620 nm Wellenläne [Fork et al. 1986] und für Festkörperlaser 6.5 fs bei ca. 800 nm Wellenlänge [Jung et al. 1997, Keller et al. 1996]. Der verwendete Festkörperlaser ist ein Ti: Saphir-Laser, welcher mit einer Kerr-Linsen-Modenkopplung (KLM = Kerr-lens mode coupling) und einem breitbandigen sättigbaren Halbleiter-Absorber-Spiegel (SESAM = semiconductor saturable absorber mirror) ausgerüstet wurde. Die allerkürzesten bisher erzeugten Laserpulse mit einer Dauer von 4.5 fs wurden produziert durch die Kompression der 20-fs-Pulse eines Ti: Saphir-Lasers in einer gasgefüllten hohlen Silikatfaser [Nisoli et al. 1997].

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

11. Instabilitäten und Chaos

Zusammenfassung

Instabilitäten der Strahlungsemission wurden bereits am ersten Laser, dem Rubinlaser [Maiman 1960] beobachtet. Der Rubinlaser zeigte eine irreguläre, mit Rauschen und Pulsen begleitete Emission selbst unter quasistationären Betriebsbedingungen. Lange Zeit kümmerten sich die Theoretiker wenig um dieses Phänomen, da die rapide Entwicklung und die vielfältige Anwendung der Laser eine Reihe anderer Probleme zum Studium anbot. Heute ist jedoch das Interesse an diesem und verwandten Phänomenen erwacht, da in den letzten Jahren wesentliche mathematische Entdeckungen über Instabilitäten und chaotisches Verhalten von dynamischen Systemen gemacht wurden [Bai-Lin 1984, Bergé et al. 1984, Critanovic 1984, Guckenheimer & Holmes 1983, Moss & Joseph 1980, Kneubühl 1997, Plaschko & Brod 1995, Poston & Steward 1978, Reitmann 1996, Schuster 1984, Thom 1972, 1975, Tu 1992, Verhulst 1990].

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

Lasertypen

12. Gaslaser (gas laser)

Zusammenfassung

Bei dieser Laserkategorie liegt das aktive Medium in gas- oder dampfförmiger Phase vor. Die meisten Gase, insbesondere Edelgase, eignen sich als Lasermedium. Jedes von ihnen liefert mehrere Laserübergänge. So sind z.B. von Ne über 180 Laserlinien bekannt. Die Emissionsbereiche erstrecken sich vom UV bis in den Submillimeterwellenbereich. Die Gaslaser umfassen Neutralatom- (z. B. He-Ne, Metalldampf), Ionen- (z. B. Ar⁺), Molekül- (z. B. CO₂) und Excimerlaser (z. B. KrF). Gaslaser besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die sie für Anwendungen in Industrie und Forschung besonders geeignet machen.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

13. Farbstofflaser (dye laser)

Zusammenfassung

Im sichtbaren Spektralbereich sind Farbstofflaser bei weitem die gebräuchlichsten abstimmbaren Laser [Peterson 1979, Schäfer 1990, Wallenstein 1979]. Bei diesem Lasertyp besteht das aktive Medium aus einem Farbstoff, welcher in einer Flüssigkeit, wie z. B. Aethanol, Methanol oder Wasser, gelöst ist. Die Konzentration beträgt nur ungefähr 10⁻⁴ Mol/1, was ca. 0.5 g/1 entspricht.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

14. Halbleiterlaser (semiconductor lasers)

Zusammenfassung

Kurz nach der Entdeckung und Verwirklichung des ersten Lasers wurde auch bei Halbleitern Lasertätigkeit beobachtet [Hall et al. 1962, Holonyak & Bevacqua 1962, Nathan et al. 1962, Quist et al. 1962]. Die ersten Systeme waren gepulste Halbleiterlaser, die bei tiefen Temperaturen betrieben wurden. Im Jahre 1970 wurde dann erstmals kontinuierlicher Betrieb bei Raumtemperatur erreicht. Der Halbleiterlaser ist von besonderem Interesse, weil mit ihm elektrischer Strom direkt in Laserlicht umgewandelt werden kann und zwar mit sehr hoher Modulationsfrequenz. Ein weiterer Vorteil sind die außerordentlich kleinen Dimensionen des Laserkristalls von typisch 300 um × 100 µm × 100 um. Der differentielle Laserwirkungsgrad, definiert als Quotient von Laserausgangsleistung zu Pumpleistung oberhalb der Schwelle, ist im Vergleich zu anderen Lasertypen sehr hoch und erreicht typisch 50%, d. h. daß oberhalb der Schwelle über 50% der Pumpstromleistung in kohärente Lichtleistung umgesetzt wird.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

15. Festkörperlaser (solid state lasers)

Zusammenfassung

Das aktive Medium der konventionellen Festkörperlaser besteht aus Kristallen oder Gläsern mit Abmessungen von einigen cm, welche mit optisch aktiven Ionen dotiert sind. Es handelt sich dabei meist um Ionen der Übergangsmetalle wie z. B. Cr³⁺ oder der seltenen Erden wie z. B. Nd³⁺ oder Ho³⁺. Die Laserübergänge finden zwischen Energieniveaus der inneren ungefüllten Elektronenschalen statt. Diese werden vom Kristallfeld des Wirtskristalls nicht stark beeinflußt. Die Übergänge sind daher ziemlich scharf und strahlungslose Zerfallsprozesse haben keine große Bedeutung. Diese Eigenschaften wirken sich positiv auf die Kleinsignalverstärkung γ (vgl. Gl. (3.15)) und demzufolge auf die Pumpschwelle aus. Die Dotierung mit Fremdionen beträgt oft weniger als ein Gewichtsprozent. Trotzdem ist aber die Dichte der laseraktiven Ionen von der Größenordnung von ¹⁹cm ⁻³, d.h. wesentlich höher als beispielsweise die Dichte in einem Gaslaser, wo sie 10¹⁵ bis 10¹⁷ cm ⁻³ beträgt. Trotz des relativ kleinen Wirkungsgrades von typisch 0.1% lassen sich daher mit Festkörperlasern hohe Leistungen erzielen. Die Anregung geschieht durch optisches Pumpen mit Blitzlampen oder in neuerer Zeit auch mit Diodenlasern. Der erste Laser der Geschichte war ein Festkörperlaser, nämlich ein Rubinlaser, der im Kap. 15.1 besprochen wird. Der wohl wichtigste Festkörperlaser ist aber heute der Neodymlaser (Kap. 15.2). Weitere Festkörperlaser werden im Kapitel 15.3 diskutiert, während das Kapitel 15.4 abstimmbaren Festkörperlasern gewidmet ist. Abschließend wird im Kapitel 15.5 eine besondere Kategorie von abstimmbaren Festkörperlasern, die der Farbzentrenlaser, vorgestellt.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

16. Chemische Laser (chemical lasers)

Zusammenfassung

Bei einem chemischen Laser wird die Besetzungsinversion und die Laserstrahlung direkt durch eine chemische Reaktion erzeugt [vgl. Chester 1976, Gross & Bott 1976, Kompa 1973, Ultee 1979]. In diesem Sinne gelten die gasdynamischen CO₂-Laser (vgl. Kap. 12.6.2) nicht als chemische Laser. Chemische Laser benützen die Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion, meist zwischen gasförmigen Medien, welche größtenteils in Form von Vibrationsenergie der Moleküle gespeichert ist. Die Laserübergänge sind daher oft Vibrations-Rotationsübergänge innerhalb des elektronischen Grundzustandes im entsprechenden Wellenlängenbereich zwischen 3 und 10µm. Die chemische Energie wird direkt in kohärente Strahlungsenergie umgewandelt, mit nur geringer oder gar keiner Zufuhr von elektrischer oder einer andern Form von Energie. Praktische Lasersysteme sind jedoch meist keine „rein“ chemischen Laser, da die reagierenden Atome oder Moleküle oft durch eine elektrische Entladung, Photolyse, Elektronenstrahlanregung, etc. präpariert werden. Aufgrund der großen Energiemenge, die in einer chemischen Reaktion zur Verfügung steht, lassen sich hohe Laserleistungen erwarten. Eine chemische Reaktion muß folgende Kriterien erfüllen, um für einen chemischen Laserprozeß geeignet zu sein:

Sie muß exotherm sein.

ii)

Falls das Reaktionsprodukt in mehreren angeregten Zuständen gebildet wird, wie z. B. im Falle von HF, so muß die Produktionsrate in einen höheren Zustand im allgemeinen größer als diejenige in einen tieferen Zustand sein.

iii)

Die absolute Produktionsrate muß genügend groß sein, um die Verluste durch spontane Emission und Stoßrelaxation zu überwiegen.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

17. Free-Electron-Laser

Zusammenfassung

In einem „free-electron“-Laser (FEL) wird ein relativistischer Elektronenstrahl durch einen sogenannten „undulator“ oder „wiggler“ mit einem Magnetfeld periodisch alternierender Polarität geschickt. Dadurch wird der Elektronenstrahl zu einer wellenförmigen Bewegung gezwungen. Weil die Elektronen bei einer Wellenbewegung eine Beschleunigung erfahren, emittieren sie elektromagnetische Wellen in Form der sogenannten Synchrotron-Strahlung Das Prinzip des FEL [Madey 1971] hat seinen Ursprung im älteren Konzept des eigentlichen „undulator“ [Motz 1951] und eine Verwandtschaft zum Smith-Purcell-Effekt [Gover & Yariv 1978, Smith & Purcell 1953], wo man einen Elektronenstrahl in geringem Abstand parallel zu einer periodisch tiefenmodulierten Metalloberfläche schießt. Die Spiegelbildkraft zwingt den Elektronenstrahl zur Wellenbewegung und damit zur Emission elektromagnetischer Wellen. Unter diesen Aspekten darf man fragen, ob der FEL als Laser oder als rein elektronische Strahlungsquelle zu betrachten ist.

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist

Backmatter

Titel: Laser
verfasst von: Prof. Dr. sc. nat. Fritz Kurt Kneubühl
Prof. Dr. sc. nat. Markus Werner Sigrist
Verlag: Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN: 978-3-322-93875-6
Print ISBN: 978-3-519-43032-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-322-93875-6

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Über dieses Buch

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einleitung

Einleitung

Allgemeine Grundlagen

1. Elektromagnetische Strahlung

2. Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit atomaren Systemen

3. Prinzip der Laser

4. Spektrallinien

Laser-Resonatoren und Wellenleiter

5. Spiegel-Resonatoren

6. Wellenleiter

7. Periodische Laserstrukturen

8. Moden-Selektion

Laserpulse

9. Q-Switch

10. Ultrakurze Laserpulse

11. Instabilitäten und Chaos

Lasertypen

12. Gaslaser (gas laser)

13. Farbstofflaser (dye laser)

14. Halbleiterlaser (semiconductor lasers)

15. Festkörperlaser (solid state lasers)

16. Chemische Laser (chemical lasers)

17. Free-Electron-Laser

Backmatter