Techniklexikon

Farbstofflaser

Laserphysik und -technik, Dyelaser, einer der wichtigsten Lasertypen und der lange Zeit am weitesten verbreitete durchstimmbare Laser. Beim Farbstofflaser ist das aktive Medium ein in einer Flüssigkeit (z.B. Ethanol oder Wasser) gelöster Farbstoff (engl.: dye). Der Farbstofflaser zeichnen sich durch einen grossen kontinuierlichen Abstimmbereich (bis zu 90 nm) aus, mit den verschiedenen Farbstoffen kann zudem der gesamte Spektralbereich zwischen 300 nm und 1200 nm abgedeckt werden. Ausserdem lassen sich hohe Leistungen bis über 100 W und bei entsprechender Frequenzstabilisierung extrem schmalbandige Linienbreiten von unter 1 MHz erreichen. Als Pulslaser erlaubt der Farbstofflaser Spitzenleistungen von mehreren Megawatt und Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden. Mit im cw-Betrieb arbeitenden Pumplasern (z.B. einem Argonionenlaser) lässt sich der Farbstofflaser auch als Dauerstrich-Laser betreiben. Diese Kombination von Eigenschaften hat dazu geführt, dass der Farbstofflaser lange Zeit insbesondere aus wissenschaftlichen Anwendungen wie der Laserspektroskopie nicht mehr wegzudenken war. Mit der Entwicklung neuer durchstimmbarer Lasertypen mit vergleichbaren Fähigkeiten, z.B. der Dioden- und der Titan-Saphir-Laser, begann der Farbstofflaser aber wegen seiner relativ hohen Kosten und des aufwendigen Betriebs an Bedeutung zu verlieren.

Beim Farbstofflaser sind die elektronischen Niveaus der Farbstoffmoleküle, anders als bei den Atomen im Lasermedium eines Gaslasers, in sehr viele dicht nebeneinander liegende Vibrations- und Rotationsniveaus mit überlappenden Emissionslinien aufgespalten. Dies führt aufgrund der Vielzahl möglicher elektronischer Übergänge zu einem kontinuierlichen Fluoreszenzspektrum, was die Durchstimmbarkeit des Farbstofflasers begründet (Abb. 1a). Die Emissionsbereiche einiger Farbstoffe sind in Tab. 1 aufgeführt. Die über 500 zur Verfügung stehenden Farbstoffe sind meist organische Moleküle mit zum Teil vielen hundert Atomen. Das Molekül des verbreitetsten Farbstoffs, Rhodamin 6G, ist in Abb. 1b gezeigt.

Der Farbstofflaser ist nach der Bandenstruktur seines Niveauschemas ein Vier-Niveau-Laser (Abb. 2). Das Energie-Niveauschema des Farbstoffmoleküls setzt sich zusammen aus elektronischen Singulettzuständen (S) und Triplettzuständen (T), wobei jeder elektronische Zustand in Vibrationsniveaus aufgespalten ist und sich diese noch einmal in Rotationsniveaus unterteilen. Bei der optischen Anregung durch ein Pumplaserphoton wird ein Farbstoffmolekül aus einem Rotations-Schwingungsniveau des elektronischen Grundzustands S₀ in eines der Schwingungsniveaus des ersten angeregten Singulett-Zustands S₁ angehoben. Von dort fällt das Molekül durch Stösse mit dem Lösungsmittel sehr schnell (t = 1-10 ps) innerhalb der Bandenstruktur zum untersten Vibrationsniveau von S₁. Unter Aussendung eines Photons findet dann der Laserübergang von diesem untersten Vibrationsniveau (mit einer relativ langen Lebensdauer von t = 1-10 ns) zu einem der angeregten Vibrationsniveaus des elektronischen Grundzustandes S₀ statt. Innerhalb des S₀-Zustandes fällt das Molekül dann wieder schnell in die unteren Vibrationsniveaus des elektronischen Grundzustands. Die genauen möglichen Übergänge zwischen den einzelnen Vibrationsniveaus werden durch das Franck-Condon-Prinzip beschrieben.

Die Möglichkeit, dass Moleküle vom Singulett- in das Triplett-System übergehen (Intersystem-Crossing), führt bei cw-Farbstofflasern zum Problem des »Quenchings«, der Zerstörung der Besetzungsinversion. Um dieses Problem zu vermeiden, muss der Farbstoff in der aktiven Region kontinuierlich ausgetauscht werden. Dies kann geschehen, indem man die Farbstofflösung von einem Reservoir durch die Farbstoffzelle hindurch wieder zurück zum Reservoir fliessen lässt. Bei cw-Farbstofflasersystemen wird die Küvette meist durch einen freien Flüssigkeitsstrahl ersetzt (Dye-Jet, Abb. 3).

Ein weiteres wichtiges Problem des Farbstofflasers ist das räumliche »Lochbrennen«, das bei Laserresonatoren mit stehenden Wellen auftritt. An den Knoten der stehenden Welle kommt es nicht zur stimulierten Emission, dies führt zu Leistungsverlusten und zum Anschwingen weiterer Resonatormoden, die den Single-Mode-Betrieb, der für schmale Linienbreiten notwendig ist, unmöglich machen. Zur Frequenzstabilisierung und Leistungsverbesserung benutzt man daher bei Farbstofflasern oft die aufwendigeren Ringresonatoren (mit umlaufender Welle). [PVDH]

Farbstofflaser 1: a) Aufspaltung der Energieniveaus im Molekül mit Vibrations- und Rotationszuständen, b) das Farbstoffmolekül Rhodamin 6G.

Farbstofflaser 2: Ausschnitt aus dem Niveauschema eines zwei-atomigen Moleküls und prinzipielles Laserniveauschema des Farbstofflasers. S₀, der elektronische Grundzustand und S₁, der erste angeregte Singulett-Zustand, sind beide in Vibrationsniveaus aufgespalten, deren ortsabhängige Aufenthaltswahrscheinlichkeiten durch die eingezeichneten Wellenfunktionen angedeutet sind. Die Pfeile geben das Übergangsverhalten nach dem Franck-Condon-Prinzip wieder.

Farbstofflaser 3: Zwei typische Dye-Jet-Anordnungen. Oben ein longitudinal gepumptes System. Das hier auftretende Problem der notwendigerweise für die Pumpwellenlänge transparenten, aber für die Laserwellenlänge reflektierenden Beschichtungen am Einkoppelspiegel kann wie unten gezeigt vermieden werden: Der Pumpstrahl wird hier schräg unter dem Brewster-Winkel (für minimale Reflektion) in den Dye-Jet fokussiert.

Farbstofflaser 1: Pumpquellen und Leistungsdaten.

bottom:solid black 1.1pt;border-right: none;mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Pumpe	bottom:solid black 1.1pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Abstimmbereich [nm]	bottom:solid black 1.1pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Pulsdauer [ns]	bottom:solid black 1.1pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Spitzen- leistung [W]	bottom:solid black 1.1pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Pulsenergie [mJ]	bottom:solid black 1.1pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Pulsfolge- frequenz [Hz]	bottom:solid black 1.1pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> mittlere Ausgangs- leistung [W]
Excimer-Laser	370-985	10-200	£ 107	£ 300	20-200	0,1-10
N2-Laser	370-1020	1-10	£ 105	< 1	< 103	0,01-0,1
Blitzlampen	300-800	300-104	102-104	< 5000	1-100	0,1-200
Ar+-Laser, Kr+-Laser	400-1100	cw	cw	-	cw	0,1-5
Nd:YAG-Laser l / 2: 550 nm l / 3: 355 nm	400-920	10-20	105-107	10-100	10-30	0,1-1
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Kupferdampf-Laser	bottom: solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 530-890	bottom: solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 30-50	bottom: solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> » 104-105	bottom: solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> » 1	bottom: solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> £ 104	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> £ 10

 

Farbstofflaser 2: Abstimmbereiche einiger Farbstoffe.

bottom:solid black 1.1pt;border-right: none;mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Farbstoff (Kurzbezeichnung und Name)	bottom:solid black 1.1pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Maximum der Fluoreszenz [nm]	bottom:solid black 1.1pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Abstimmbereich [nm]	bottom:solid black 1.1pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Pumplaser, Pumpquellen	bottom:solid black 1.1pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black 1.1pt; mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Pumpleistung [W]
PP1:     Polyphenyl 1	385	375-411	Kr+, UV	3,3
S1:       Stilben 1	415	395-435	Ar+, UV	2,5
S3:       Stilben 3	435	400-465	Ar+, UV	2,5
C102:    Coumarin 102	495	460-520	Kr+, UV	2,5
C30:     Coumarin 30	510	480-545	Kr+, vis	4,6
C6:       Coumarin 6	538	508-560	Ar+, 488 nm	6
R110:    Rhodamin 110	550	535-585	Ar+, 514 nm	6
R6G:     Rhodamin 6G	593	560-630	Ar+, 514 nm	6
DCM	650	610-700	Ar+, 488 nm	6
Py2:     Pyridin 2	730	690-790	Ar+, vis	6,5
LD 700	750	690-835	Kr+, rot	6
St9M:   Styryl 9M	580	758-915	Ar+, 514 nm	7
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> IR 140	bottom: solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 960	bottom: solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 880-1010	bottom:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Kr+, IR	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 2