Techniklexikon

Kohlendioxid-Laser

CO₂-Laser, der am stärksten verbreitete Molekül-Gaslaser. Seine sehr hohen Maximal-Leistungen sowohl als Dauerstrichlaser (bis über 100 kW) wie auch als Pulslaser (mit Pulsenergien > 100 kJ) und standardmässig erreichbaren Leistungen zwischen 10 W und 10 kW haben den Kohlendioxid-Laser zu einem der wichtigsten Lasersysteme in wissenschaftlichen, technischen und industriellen Anwendungen werden lassen. Spezielle Hochdruck-CO₂-Laser erlauben den Betrieb als kontinuierlich durchstimmbare Laser mit Wellenlängen im mittleren Infrarot-Bereich des Spektrums, was diese Systeme für die Laserspektroskopie interessant macht.

Der Kohlendioxid-Laser verwendet für die möglichen Laserübergänge eine Vielzahl verschiedener Vibrationszustände des Grundzustands und kann so auf über 100 separaten Linien mit Emissionswellenlängen zwischen 9,2 und 10,8 mm betrieben werden. Die Besetzungsinversion wird durch Stösse mit Elektronen oder mit anderen elektronisch angeregten Atomen und Molekülen (He, N₂) hergestellt. Da diese Anregung beim Kohlendioxid-Laser in einer Gasentladung sehr effektiv möglich ist, lassen sich totale Wirkungsgrade (das Verhältnis von emittierter Laserleistung zur aufgewandten, elektrischen Anregungsleistung) von über 30 % erreichen.

Als dreiatomiges, lineares, symmetrisches Molekül besitzt Kohlendioxid drei Normalschwingungsmoden (siehe Abb.). Die einfach angeregte asysmmetrische Streckschwingung wird durch die Gasentladung bevölkert und entspricht dem oberen Niveau des Laserübergangs; die beiden anderen Vibrationszustände bilden die möglichen unteren Niveaus. Die resultierenden Emissionslinien liegen bei 9,4 mm (Übergang zur zweifach angeregten Knickschwingung) und 10,4 mm (Übergang zur einfach angeregten sysmmetrischen Streckschwingung). Aufgrund der Aufspaltung jedes Vibrationsniveaus in viele Rotationsniveaus erhält man jedoch die etwa 100 verschiedenen möglichen Laserübergänge zwischen den einzelnen Rotationszuständen der beteiligten drei Vibrationsniveaus.

Kohlendioxid-Laser: a) CO₂-Molekül im Grundzustand und den drei Vibrationseigenzuständen (Normalschwingungen): b) symmetrische Streckschwingung, c) Knickschwingung d) asymmetrische Streckschwingung.