Techniklexikon

Festkörperlaser

Siehe auch: Halbleiterlaser Laserphysik und -technik, Laser mit einem laseraktiven Medium im festen Aggregatzustand (Kristall oder Glas). Hierbei handelt es sich meist um kleine Quader oder Zylinder mit Abmessungen im Millimeter- bis Zentimeterbereich, die mit Ionen der Übergangsmetalle oder Seltenerdmetalle dotiert sind (Abb.). Die Laserübergänge finden bei den dotierten Ionen zwischen den inneren, ungefüllten Elektronenschalen statt. Deren Energieniveaus werden durch den Einbau in die Struktur des Wirtskristalls nur unwesentlich beeinflusst. Obwohl die Dotierung meist nur weniger als ein Gewichtsprozent beträgt, ist die Dichte der laseraktiven Fremdionen mit einer Grössenodnung von 10¹⁹ cm^-3 deutlich höher als beispielsweise bei Gaslasern, wo sie maximal etwa bei 10¹⁷ cm^-3 liegt. Um die Besetzungsinversion herzustellen, werden Festkörperlaser meist mit Blitzlampen, Bogenlampen und neuerdings auch mit Diodenlasern gepumpt.

Mit Festkörperlasern lassen sich aufgrund der im allgemeinen guten optischen Eigenschaften der Kristalle und Gläser und deren hohen Zerstörschwellen Laser grosser Leistung realisieren. Sie finden deshalb häufig Verwendung zur Materialbearbeitung, als Pumplaser und bei allen anderen Anwendungen, wo eine grosse Lichtintensität benötigt wird. Die wichtigsten Festkörperlaser mit Festfrequenz sind der Rubin-Laser und der Neodym-Laser.Abstimmbare Festkörperlaser haben vibronisch verbreiterte Laserübergänge, die breite Abstimmbereiche von mehreren hundert Nanometern ermöglichen. Die Spektren der in Kristalle eingebauten Ionen weisen sowohl schmale, rein elektronische Übergänge auf, die Nullphononenlinien genannt werden, weil sie nicht durch Wechselwirkung mit Phononen verbreitert sind, als auch vibronische, d.h. durch Wechselwirkung mit Phononen verbreiterte Übergänge. Es treten jeweils zwei symmetrisch zur Nullphononenlinie liegende vibronische Seitenbänder auf, deren Lage temperaturabhängig ist. Durch Elemente zur Wellenlängenselektion lassen sich so abstimmbare Laser realisieren. Entscheidend für die Verwendbarkeit eines Materials in einem abstimmbaren Festkörperlaser ist die Stärke der Wechselwirkung zwischen den dotierten Ionen und dem Wirtskristallgitter; sie ist bei den Ionen der Übergangsmetalle (3d-Schale) stärker als bei denen der seltenen Erden (4f-Schale), da die 4f-Schale durch die 5s- und 5d-Elektronen stärker abgeschirmt wird.

Ein weitverbreiteter Festkörperlaser ist der Alexandrit-Laser. Der Titan-Saphir-Laser bietet einen besonders grossen Abstimmbereich, andere wichtige Laser sind der Emerald-Laser und die verschiedenen Chrom-Laser, ebenfalls erwähnt seien der Lanthan-Beryllat-Laser und der Forsterit-Laser. Abstimmbare Festkörperlaser können in allen Anwendungsbereichen der Farbstofflaser eingesetzt werden, zusätzlich haben sie meist höhere Energiespeicherkapazitäten, höhere Durchschnittsleistungen, bessere Wirkungsgrade und im Gegensatz zu den meisten Farbstofflasern eine höhere Lebensdauer. [RS2, SW]

Festkörperlaser: Schematischer Aufbau.