Laser: Theorie, Typen und Anwendungen

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. A1 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 2004; Born und Wolf 2009; Ditchburn 1976; Klein und Furtak 1988; Kneubühl 1994, 1997; Lipson et al. 1997; Meyer-Arendt 1984; Möller 2007; Schilling 1980). Für weitere, insbesondere auch neuste, Literatur wird auf die Anhänge A4 verwiesen.

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.

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 Kap. 5 und 6 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.

In Abschn. 4.2 haben wir bereits darauf hingewiesen, dass die Übergänge zwischen zwei Energieniveaus E₁ und E₂ in Wirklichkeit nicht als streng monochromatische Spektrallinie mit der Resonanzfrequenz

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

Konventionelle optische Laser-Resonatoren (Kap. 6), wie z. B. Fabry-Perot-Resonatoren oder Resonatoren mit sphärischen Spiegeln, zeigen enorme Beugungsverluste für kleine Fresnel-Zahlen F, d. h. für

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.

In Spiegelresonatoren unterscheiden sich die verschiedenen longitudinalen Moden TEM_00q (q ≫ 1) und meistens auch die transversalen Moden TEM_pℓq (q ≫ 1,  pℓ ≠ ∞) oder TEM_mnq (q ≫ 1,  mn ≠ ∞) in ihrer Frequenz (vgl. Kap. 6). Der Frequenzabstand Δv_q+1,q benachbarter longitudinaler Moden beträgt c/2L, wobei L die Resonatorlänge bedeutet. Für L = 10 cm wird Δv_q+1,q = 1,5 GHz, für L = 1 m ist Δv_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. Abschn. 5.5 bzw. 5.4) einige GHz im optischen Bereich, für Farbstofflaser (vgl. Kap. 14) oder Festkörperlaser (vgl. Kap. 16) ist sie beträchtlich größer. Aus diesem Grunde liegen meist viele Moden innerhalb des Verstärkungsprofiles des Lasermediums, wie Abb. 9.1 zeigt.

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.

Als ultrakurz bezeichnet man Laserpulse mit einer Dauer im ps- oder fs-Bereich (Diels und Rudolph 2006; Keller 1997, 2004; Koechner 2006). Wenige Jahre nach der Realisierung des Rubinlasers wurden erstmals ps-Pulse durch passive Modenkopplung eines Riesenpuls-Rubinlasers erzeugt (Mocker und Collins 1965), wenig später folgte der Nd:Glas-Laser (DeMaria 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 kürzesten Pulsdauern betragen für Farbstofflaser mit nachfolgender Pulskompression ca. 6 fs bei 620 nm Wellenlänge (Fork et al. 1987). Für Festkörperlaser wurden 6,5 fs bei ca. 800 nm Wellenlänge erreicht (Jung et al. 1997; Keller et al. 1996), etwas später konnten Pulsdauern unter 6 fs erzeugt werden (Sutter et al. 1999; Morgner et al. 1999). Eine solche Pulsdauer entspricht weniger als 2 optischen Zyklen. 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 (s. Abschn. 11.2.2). Diese Pulsdauern werden direkt aus dem Laser, d. h. ohne nachfolgende Pulskompression gemessen. Noch kürzere Pulse von 4,5 fs bzw. 3,8 fs Dauer wurden durch die Kompression von 20 fs-Pulsen eines Ti:Saphir-Lasers in einer gasgefüllten hohlen Silikatfaser (Nisoli et al. 1997) bzw. durch eine adaptive Kompression (Schenkel et al. 2003) produziert.

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.

Im sichtbaren Spektralbereich waren Farbstofflaser für lange Zeit die bei weitem gebräuchlichsten abstimmbaren Laser (Peterson 1979; Schäfer 1990; Wallenstein 1979; Duarte und Williams 1990). Sie wurden allerdings in den letzten Jahren durch neuere Entwicklungen von kompakten Halbleiterlasern (vgl. Kap. 15) und Festkörperlasern (vgl. Kap. 16) verdrängt. Wie die Bezeichnung aussagt, besteht das aktive Medium beim Farbstofflaser aus einem Farbstoff, welcher normalerweise in einer Flüssigkeit, wie z. B. Aethanol, Methanol oder Wasser, gelöst ist. Neben den üblichen Flüssig-Farbstofflasern wurden jedoch schon früh Anstrengungen unternommen, Farbstoffe in Festkörpermatrizen einzubauen zur Realisierung von robusten Festkörper-Farbstofflasern (Costela et al. 2016; Duarte 2012). Die ersten Versuche fanden bereits 1 Jahr nach der Realisierung von Flüssig-Farbstofflasern mithilfe von Rhodamin-dotiertem Polymethylmethacrylat (PMMA) (Soffer und McFarland 1967) statt. Später wurde modifiziertes PMMA mit exzellenter optischer Homogenität und chemischer Stabilität benützt, womit die bisher besten Resultate im Bereich von abstimmbaren Festkörper-Farbstofflaser mit sehr schmaler Linienbreite von nur 350 MHz erzielt wurden (Duarte 1999). Neben den Farbstofflasern auf Polymerbasis (Oki et al. 1998) wurden auch Farbstoff-dotierte Sol-gele (Zhu und Lo 2002) sowie organisch modifizierte Silikate (Lo et al. 1993; Pritula et al. 2015) untersucht. Matrizen aus Sol-gelen eignen sich generell besser für den blauen und UV-Bereich als Polymere, da sie eine höhere Photostabilität aufweisen. Im Weiteren wurden auch Farbstofflaser auf der Basis von organisch-inorganischen Nanomaterialien (Duarte und James 2003; Sastre et al. 2008) realisiert. Als kürzliches Beispiel sei ein Farbstofflaser mit SiO₂ Nanopartikeln in einem Farbstoff-dotierten Polymerfilm erwähnt, womit bei einer Wellenlänge von 590 nm und einer Linienbreite von 0,1 nm ein Konversions-Wirkungsgrad von 38 % erzielt wurde (Watanabe et al. 2010).

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. 4.15) 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 10¹⁹ cm⁻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 mit Diodenlasern. Der erste Laser der Geschichte war ein Festkörperlaser, nämlich ein Rubinlaser, der im Abschn. 16.1 besprochen wird. Der wohl wichtigste Festkörperlaser ist aber heute der Neodymlaser (Abschn. 16.2). Weitere Festkörperlaser werden im Abschn. 16.3 diskutiert, während der Abschn. 16.4 abstimmbaren Festkörperlasern gewidmet ist. Im Abschn. 16.5 wird eine besondere Kategorie von abstimmbaren Festkörperlasern, die der Farbzentrenlaser, vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einer Besprechung von neueren Festkörperlaserentwicklungen ab, die in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen haben: Faserlaser (Abschn. 16.6), Frequenzkämme (Abschn. 16.7) sowie Weißlichtlaser und Superkontinuum (Abschn. 16.8)

Bei einem chemischen Laser werden die Besetzungsinversion und die Laserstrahlung direkt durch eine chemische Reaktion erzeugt (vgl. Chester 1976; Gross und Bott 1976; Kompa 1973; Ultee 1979). In diesem Sinne gelten die gasdynamischen CO₂-Laser (vgl. Abschn. 13.6.2) 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 10 μm. 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:

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 und Yariv 1978; Smith und 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.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Aspekte bezüglich Sicherheit von Laser-Einrichtungen diskutiert. Aufgrund der hohen Kohärenz des Laserlichtes (s. Abschn. 2.2) können schon geringe Leistungen im mW Bereich gefährlich sein. Gefährdet sind insbesondere die Augen, bei hohen Leistungen aber auch die Haut. Für das sichere Arbeiten mit Lasern gilt es daher Gesetze und Verordnungen zu beachten. Die Laser werden aufgrund ihrer Gefährdung in 7 Klassen eingeteilt. Die Laser müssen entsprechend gekennzeichnet sein. Je nachdem müssen Laserschutzbrillen getragen, ein Laserbereich festgelegt und ein Laserschutzbeauftragter bestimmt werden. Im Folgenden werden die Gefährdung, die Laserklassifizierung und die Schutzmaßnahmen einzeln besprochen.