Techniklexikon

Laser

Kunstwort, gebildet aus den engl. Worten light amplifier by stimulated emission of radiation, zu deutsch: Lichtverstärker durch stimulierte Strahlungsemission. In einem L. werden elektromagnetische Schwingungen im ultraroten, optischen oder ultravioletten Spektralbereich kohärent (interferenzfähig) (Interferenz) verstärkt, u. zw. durch eine induzierte (erzwungene) Ausstrahlung von Lichtquanten (Photon). L. -licht entsteht, wenn die Atome eines Gases (Gaslaser) oder eines festen Körpers (Festkörperlaser) (Festkörper) durch eine äußere Energiequelle kontinuierlich oder gepulst so stark in Schwingungen versetzt werden, daß sie Lichtquanten ausstoßen. Werden diese zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert, verlassen sie den L. als sehr energiereicher Strahl. Im Gegensatz zum Lichtstrahl einer thermischen Lichtquelle (z. B. der Glühdraht in einer Glühlampe) ist L. -licht monochromatisch, also einfarbig und durch jeweils eine einzige Wellenlänge gekennzeichnet. Ein L. -strahl breitet sich im Raum nicht aus, bleibt vielmehr parallel eng gebündelt. Darin vor allem sind seine vielfältigen und sehr spezifischen Anwendungsmöglichkeiten begründet. Mit L. -strahlen kann man z. B. Stahl schneiden, schweißen und bohren. L. werden in der Medizin zu kleineren operativen Eingriffen verwendet, bei endoskopischen Diagnose-und Therapieverfahren (Endosko-pie ist der Sammelbegriff für alle Verfahren, mit denen Licht in Hohlräume des Körpers gebracht wird) sowie im Rahmen bildgebender Diagnosesysteme. L. -Scanner (Scanner) werden u. a. im Druckgewerbe zur Vorbereitung von Druckunterlagen eingesetzt. In der Meßtechnik bedient man sich des L. zur Messung geometrischer Größen, von Frequenzen, Zeiten und spektralen Größen. Der L. machte die Holographie erst möglich. Laserphysik und -technik

1 Einleitung

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) sind Strahlungsquellen für kohärente, quasi-monochromatische und scharf gebündelte Strahlung im sichtbaren und den angrenzenden Bereichen des elektromagnetischen Spektrums (Ferninfrarot, Infrarot, Ultraviolett und Röntgenstrahlung). Im Prinzip besteht jeder Laser aus drei Komponenten: erstens einem aktiven Lasermedium, von dem die Eigenschaften des Lasers weitgehend bestimmt werden, z.B. ein Gas, ein Kristall oder eine Diode; zweitens einem Pumpmechanismus, der dem Lasermedium Energie zuführt, z.B. eine Blitzlampe oder eine elektrisch betriebene Gasentladung; und drittens einem Laserresonator, einem System aus Spiegeln und anderen optischen Elementen, das für die Rückkopplung und damit die induzierte Emission der Strahlung sorgt (siehe [1]Abb. 1). Abhängig vom speziellen Aufbau und der Wahl der Komponenten ergeben sich eine ganze Reihe von verschiedenen Lasertypen, die sich vor allem in den erreichbaren Leistungen (zwischen einigen Mikrowatt und vielen Kilowatt) und Frequenzeigenschaften unterscheiden. Seit der Konstruktion des ersten funktionsfähigen Prototyps im Jahr 1960 hat sich der Laser in der Wissenschaft so stark ausgebreitet wie kaum ein anderes Konzept - als eigenständiges Forschungsobjekt in der Laserphysik genauso wie als »Werkzeug« in anderen naturwissenschaftlichen Bereichen - , und schon dreimal wurden Arbeiten im Bereich der Laserphysik mit dem Nobelpreis bedacht: 1964 für die theoretischen Vorarbeiten von Ch.H. Townes zusammen mit N.G. Bassow und A.M. Prochorow, 1981 für Entwicklungen von Methoden der Laserspektroskopie von N. Bloembergen und K.M. Siegbahn sowie 1997 für Beiträge zur Laserkühlung von S. Chu, C. Cohen-Tannoudji und W. Phillips. Aber auch die Lasertechnik in der Medizin, der Industrie und im Alltag hat immer mehr an Bedeutung gewonnen, und seit Anfang der neunziger Jahre ist der Laser besonders aus der Informationstechnologie und Unterhaltungselektronik nicht mehr wegzudenken.

Der ursprüngliche Antrieb bei der Entwicklung des Lasers war der Bedarf der Physik nach leistungsfähigen kohärenten und monochromatischen Lichtquellen (siehe [2]Abb. 2). Die üblichen Lichtquellen  wie Quecksilberdampflampen oder Bogenlampen besassen zwar hohe Intensitäten, aber sie gaben ihre Energie über einen grossen Bereich des elektromagnetischen Spektrums verteilt ab, so dass auf einen bestimmten kleinen Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich nur ein geringer Teil der Energie entfiel. In dem Masse, in dem man die Breite der Emissionsfrequenz solcher Lampen durch Filter oder Prismen einengte, verringerte sich somit die zur Verfügung stehende Leistung. Für viele Anwendungen - insbesondere in der Spektroskopie - bedarf es aber einer hohen spektralen Brillanz, d.h. eben einer möglichst hohen Strahlungsintensität in einem sehr kleinen Frequenzbereich. Mit dem Maser, der auf demselben Prinzip wie der Laser beruht, hatte man dieses Problem für elektromagnetische Strahlung im Bereich der Mikrowellen erstmals gelöst. Analog sollte dieses Prinzip dann auf den höherfrequenten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere auf das sichtbare Licht, angewendet werden.

2 Theoretische Grundlagen:

Emission und Besetzungsinversion

Die theoretische Voraussetzung für die Entwicklung des Laserprinzips war die Quantenmechanik, insbesondere ihre Konzepte der Besetzung von (diskreten) Energieniveaus, des Bildes der elektromagnetischen Welle als Teilchen (Photon) und der induzierten Emission, die die Grundlage der notwendigen »Lichtverstärkung« darstellt. Bei der spontanen Emission (siehe [3]Abb. 3a) wird ein Photon ohne äussere Einwirkung von einem angeregten Atom oder Molekül ausgesandt, das dabei von einem höheren Energieniveau in ein tieferes übergeht. Hierbei werden die Photonen isotrop, d.h. mit gleicher Wahrscheinlichkeit in alle Raumrichtungen, und mit unterschiedlichen Frequenzen ausgesandt, deren Bandbreite durch die Lebensdauer des angeregten Zustands bestimmt wird. Befindet sich ein angeregtes Atom jedoch in einem geeigneten Strahlungsfeld, dann kann es auch zur induzierten Emission kommen, bei der das emittierte Photon dieselbe Phase, Frequenz und Richtung (Kohärenz) besitzt wie das erste, induzierende Photon (siehe [4]Abb. 3b). Die Wahrscheinlichkeit für die beiden Emissionsformen bei atomaren Übergängen der Elektronen wird durch die Einstein-Koeffizienten beschrieben. Allgemein gilt, dass ein angeregtes Teilchen umso eher induziert anstatt spontan emittieren wird, je stärker das Strahlungsfeld ist, d.h. je mehr bereits emittierte Photonen rückgekoppelt werden. Umgekehrt gilt, dass rückgekoppelte Photonen eher absorbiert werden (siehe [5]Abb. 3c), wenn sich mehr Teilchen im unteren der beiden energetischen Zustände befinden (was einer thermischen Verteilung entspricht), während die rückgekoppelten Photonen zur induzierten Emission beitragen, wenn sich mehr Teilchen im höheren Niveau befinden. Diesen letzteren Zustand bezeichnet man als Besetzungsinversion (siehe [6]Abb. 4). Darauf aufbauend besteht die Idee des Lasers darin, in einem Lasermedium genügend Teilchen in einen energetisch angeregten Zustand zu versetzen, also eine Besetzungsinversion herzustellen, aus dem sie Photonen im Bereich der gewünschten Wellenlänge emittieren können, und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass diese Energie bei entsprechender Rückkopplung der Photonen überwiegend durch induzierte Emission abgegeben wird, so dass ein möglichst grosser Teil der emittierten Strahlung (aufgrund der gleichen Phase, Frequenz und Richtung) kohärent, monochromatisch und gebündelt ist. Wie gross bei einem Lasersystem die notwendige Besetzungsinversion ist, hängt von der Strahlungsverstärkung im Medium, von den Verlusten im Resonator und von der Auskopplung des Laserstrahls ab und wurde 1958 erstmals von Schawlow und Townes mit der Schwellenbedingung beschrieben (siehe auch unten).

3 Praktische Grundlagen

Pumpmechanismus

In der Praxis ist die Herstellung und Aufrechterhaltung einer ausreichenden Besetzungsinversion im Lasermedium meist das schwierigste Problem. Teilchen, die in höherenergetische Zustände versetzt worden sind, werden nämlich ohne äusseren Einfluss i.a. nach kürzester Zeit durch Photoemission oder durch atomare Stösse in niedrigere Zustände zerfallen, worauf sich im Medium wieder eine thermische Verteilung einstellen wird, in der Zustände geringerer Energie stärker besetzt sind. Um eine Besetzungsinversion (also die Umkehr der natürlichen Verteilungsverhältnisse) herzustellen und aufrechtzuerhalten, ist somit zuerst ein Pumpmechanismus notwendig, der das Medium ausserhalb seines thermischen Gleichgewichts hält, indem er Teilchen durch geeignete Zufuhr von Energie, beispielsweise durch Photoabsorption oder Elektronenstoss, kontinuierlich aus einem unteren Niveau (|1ñ) in ein höheres (|2ñ) anhebt (siehe [7]Abb. 5).

 

Niveauschema

Für den Betrieb eines Lasers reicht aber selbst ein leistungsstarker Pumpmechanismus allein nicht aus, sondern das Termschema der Energieniveaus der Teilchen im Medium muss ebenfalls bestimmte Bedingungen erfüllen. Die Gesamtheit der am Prozess der Laseremission beteiligten Energieniveaus bezeichnet man als Niveauschema. Da zwischen dem Grundzustand und einem angeregten Niveau alleine keine Besetzungsinversion aufrecht erhalten werden kann, wird ein drittes, oft sogar noch ein viertes Niveau (Drei-Niveau- bzw. Vier-Niveau-Schema) verwendet. (Die induzierte Absorption vom Grundzustand in einen angeregten Zustand besitzt denselben Einstein-Koeffizienten wie die induzierte Emission beim Übergang von diesem angeregten zurück in den Grundzustand. Somit kann - selbst wenn die Pumpleistung so stark ist, dass man die spontane Emission vernachlässigen kann - höchstens die Hälfte der Teilchen in den angeregten Zustand gebracht werden, ab welchem Punkt die Emission die Absorption kompensiert.) Um die Besetzungsinversion möglichst einfach herstellen zu können, wählt man im Laserübergang - also demjenigen Übergang zwischen zwei Niveaus, bei dem es zur induzierten Emission von Laserphotonen kommen soll - für das obere Energieniveau eines mit möglichst langer (typischerweise in der Grössenordnung von Nanosekunden) und für das untere eines mit möglichst kurzer Lebensdauer (Pikosekunden). Durch die lange Lebensdauer des oberen Niveaus können sich viele durch den Pumpmechanismus angehobene Teilchen dort sammeln und stehen für eine längere Zeit zur induzierten Emission zur Verfügung, bevor sie durch spontane Emission oder Stösse in niedrigere Niveaus zerfallen würden, ohne zur Laseremission beizutragen. Eine kurze Lebensdauer des unteren Niveaus stellt sicher, dass sich dort auch bei starker induzierter Emission aus dem oberen Zustand nicht zuviele Teilchen »sammeln« können und somit die Besetzungsinversion auch im kontinuierlichen Laserbetrieb aufrecht erhalten werden kann.

Da das Termschema der Teilchen eines Mediums sich kaum beeinflussen lässt, ist man in der Auswahl möglicher Niveauschemata und damit in den Möglichkeiten des Laserbetriebs für ein bestimmtes Medium meist sehr eingeschränkt. Typische Probleme ergeben sich, insbesondere für Dauerstrichlaser, oft dadurch, dass angeregte Teilchen aus den Zuständen des Laserniveauschemas durch Strahlungszerfall oder Stösse in "unbeteiligte" metastabile Zustände gelangen, die eine extrem lange Lebensdauer (Mikrosekunden und länger) haben. Diese Teilchen stehen dann für den Laserprozess nicht mehr zur Verfügung, so dass die Laseremission aufgrund zu geringer effektiver Teilchendichte im Medium zum Erliegen kommen (siehe auch »quenching« beim Farbstofflaser) und dieser Laser oft nur als Pulslaser betrieben werden kann. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn der Grundzustand (mit unendlicher Lebensdauer) als unteres Niveau des Laserübergangs genutzt wird, wie im Zwei-Niveauschema. Da sich in diesem Fall eine Besetzungsinversion generell nicht kontinuierlich aufrechterhalten lässt, kann auch hier nur ein Pulslaser realisiert werden. Auf der anderen Seite kann man jedoch durch die geschickte Einbeziehung von weiteren Prozessen in das Niveauschema auch Lasermedien verwenden, die sich sonst eigentlich nicht für den Laserbetrieb anbieten. Beim Helium-Neon-Laser zum Beispiel findet der Laserübergang im Neon statt; da das Neon allein durch eine Gasentladung aber nicht effzient gepumpt wird, geschieht der Energieübertrag auf die Neon-Atome durch Helium-Atome, die sich effizient anregen lassen, aber selbst nicht an der Laseremission beteiligt sind.

 

Die Verstärkung im Lasermedium

Damit es im Laser tatsächlich zur »Lichtverstärkung« kommt, muss die durch eine elektromagnetische Welle beim Durchlaufen des Mediums verursachte induzierte Emission die Absorption übersteigen. Die Kleinsignalverstärkung beschreibt diese relative Änderung der Energiedichte des Strahlungsfeldes pro Längeneinheit im Medium und ist direkt proportional zur Besetzungsinversion und der spektralen Linienform (Spektrallinien) des Laserübergangs. Daraus ergibt sich für jedes Medium ein charakteristisches frequenzabhängiges Verstärkungsprofil g(n) (s. [8]Abb. 6), typischerweise mit einem Maximum bei einer Mittenfrequenz n₀ der Übergangslinie. Eine Laseroszillation ist prinzipiell nur im Bereich dieses Profils möglich. Die Breite dieses Verstärkungsprofils, also die Breite der Spektrallinie eines Laserübergangs, hängt zum einen von der Lebensdauer des Übergangs ab, zum anderen von den Bedingungen im Medium (z.B. von der temperaturabhängigen Dopplerverbreiterung) und liegt typischerweise im Bereich von Gigahertz. Speziell wenn mehrere mögliche Laserübergänge mit verschiedenen Mittenfrequenzen existieren, kann das entstehende Verstärkungsprofil als Überlagerung der einzelnen Profile wesentlich komplizierter und um mehrere Grössenordnungen breiter werden (z.B. bei durchstimmbaren Lasern). Hinzu kommt, dass das Verstärkungsprofil des gesamten Lasers nicht nur durch das Verstärkungsprofil des Mediums, sondern auch durch die Eigenschaften des Laserresonators bestimmt wird.

4 Laserresonator

Verstärkung und Schwellenbedingung

Ausser dem Laserniveauschema und dem Pumpmechanismus muss demnach auch der Laserresonator den jeweiligen Anforderungen des Lasertyps entsprechend gewählt werden. Ein Laserresonator ist eine Kombination aus optischen Elementen zur Rückkopplung und zur Wellenlängen- bzw. Frequenzselektion der emittierten Photonen, z.B. Spiegel, Strahlteiler, Filter, optische Gitter, Fabry-Perot-Etalons, Pockelszellen etc. Im einfachsten Fall besteht der Laserresonator aus einem vollständig reflektierenden und einem halbdurchlässigen Spiegel, die entlang einer optischen Achse durch das Medium ausgerichtet sind. Der grösste Teil der Photonen, die entlang der optischen Achse emittiert werden, wird in das Medium rückgekoppelt und läuft zwischen beiden Spiegeln hin und her, während nur ein kleiner Teil bei jedem Umlauf durch den halbdurchlässigen Spiegel ausgekoppelt wird (typischerweise um 1 %) und den eigentlichen Laserstrahl bildet. Als Schwellwert oder Schwellenverstärkung bezeichnet man den Wert g_S(n), für den sich die Verstärkung sowie die Auskopplung und Verluste gerade kompensieren:

(R_1,2: Reflektivitäten der Spiegel, L: Abstand der Spiegel, a: alle übrigen Strahlungsverluste). Nur oberhalb dieser Schwelle erhält man eine Netto-Verstärkung, und es kann zur Laseremission kommen (Schwellenbedingung).

 

Resonatormoden

Abhängig von der Besetzungsinversion ist der Betrieb des Lasers somit auf ein Frequenzintervall zwischen n₁ und n₂ mit einer Verstärkung über dem Schwellwert (g ³ a) beschränkt (siehe [9]Abb. 6). Durch die Interferenz der an den Spiegeln reflektierten elektromagnetischen Wellen werden sich allerdings nicht bei allen Frequenzen stabile, stehende Wellen im Resonator ausbilden können. Solche longitudinalen Resonatormoden sind nur bei Frequenzen möglich, für die die optische Weglänge L im Resonator ein ganzzahliges Vielfaches n der halben Wellenlänge l beträgt, während alle anderen Frequenzen durch destruktive Interferenz ausgelöscht würden. Der Frequenzabstand zweier aufeinanderfolgender Moden ist selbst für kürzeste Resonatoren immer noch sehr gering (z.B. in Diodenlasern mit L = 1 mm ist dn » 150 GHz), so dass typischerweise mehrere Resonatormoden im Verstärkungsprofil liegen werden und oszillieren können ([10]Abb. 6). Diese Resonatormoden haben verschiedene Konsequenzen für das gesamte Lasersystem (Resonatorgüte, Single-Mode-Betrieb, Frequenzstabilisierung, durchstimmbarer Laser). Die Möglichkeit, dass mehrere Moden im Verstärkungsprofil des Mediums liegen und gleichzeitig oszillieren können, bzw. dass zwar nur eine Mode oszilliert, aber durch eine Verschiebung der relativen Lage von Verstärkungsprofil und Resonatormoden die Laseremission zu einer anderen Mode »springen« kann, ist für viele, insbesondere spektroskopische, Anwendungen sehr störend. In diesen Fällen kann man die Oszillation durch wellenlängenselektierende Elemente im Resonator auf eine einzelne Mode beschränken ([11]Abb. 7, Single-Mode-Betrieb) und Änderungen der Emissionswellenlänge durch Frequenzstabilisierung minimieren.

Um den Anforderungen der unterschiedlichsten Lasersysteme gerecht zu werden, sind eine Vielzahl unterschiedlicher Resonatoren entwickelt worden. Zu den wichtigsten Typen gehört ausser dem erwähnten linearen Resonator, der auch »gefaltet« sein kann (z.B. V- oder Z-förmig) und in dem sich aufgrund der hin- und herlaufenden Photonen eine stehende Welle ausbildet, auch der Ringresonator. Letzterer zeichnet sich durch die in einer Richtung umlaufende Welle aus und wird insbesondere zur Kompensation des spatial hole burning und zur Realisierung von single-mode Lasern eingesetzt.

5 Lasertypen

Die verschiedenen Lasertypen lassen sich nach drei Aspekten unterscheiden, die Bedeutung sowohl für die erreichbaren Leistungen, Wellenlängen und Frequenzeigenschaften als auch für den Betrieb haben. 1) Je nachdem, ob die Laseremission kontinuierlich oder gepulst ist, unterscheidet man Dauerstrichlaser und Pulslaser. Der Grund für die Beschränkung auf den Pulsbetrieb liegt meist im Lasermedium, genauer gesagt im Niveauschema, das eine kontinuierliche Aufrechterhaltung der Besetzungsinversion nicht erlaubt, kann aber auch andere Ursachen haben, wie z.B. einen gepulsten Pumpmechanismus. Die grössten Vorteile von Dauerstrichlasern liegen hingegen in der hohen erreichbaren Leistungs- und Frequenzstabilität und der schmalen Emissionsbreite, wie sie insbesondere für die analytische Laserspektroskopie unabdingbar sind.

2) Je nach der Möglichkeit, die Wellenlänge zu variieren, unterscheidet man durchstimmbare Laser, die sich durch ein Verstärkungsprofil auszeichnen, das in einem sehr breiten Frequenzintervall eine ausreichende Nettoverstärkung besitzt, so dass bei jeder beliebigen Frequenz im Intervall Laseremission möglich ist, und Festfrequenzlaser, die zwar mehrere diskrete Emissionslinien besitzen können, aber kein zusammenhängendes Frequenzintervall abdecken. Festfrequenzlaser zeichnen sich meist durch sehr hohe erreichbare Ausgangsleistungen aus.

3) Laser werden generell auch nach ihrem Medium klassifiziert, weil dadurch die wesentlichen Eigenschaften des Systems meist bereits vorgegeben sind (Festkörperlaser, Diodenlaser, Gaslaser: Neutralatomlaser, Ionenlaser, Moleküllaser und Excimerlaser, Farbstofflaser, chemische Laser (Laser, chemische), Freie-Elektronen-Laser).

6 Anwendungen und Bedeutung

Die heute erreichbaren höchsten cw-Ausgangsleistungen von vielen Kilowatt sind in industriellen Laseranwendungen (z.B. bei der Materialbearbeitung) wichtig, während die meisten technischen und medizinischen Anwendungen (Lasermedizin) mit Leistungen unter 100 W auskommen. Am stärksten zur Verbreitung des Lasers ausserhalb der Wissenschaft trägt die Informationstechnologie bei, die nicht nur durch die Datenspeicherung auf CD-ROM dazu geführt hat, dass ein - ausgesprochen simpler - Diodenlaser inzwischen in fast jedem Haushalt zu finden ist, sondern durch den Datentransfer mittels Glasfaseroptik-Systeme (statt Kupferkabel) auch in Zukunft die Bedeutung der Lasertechnik noch weiter erhöhen wird. Die eigentliche Leistungsfähigkeit des Lasers wird aber fast ausschliesslich in wissenschaftlichen Laseranwendungen, speziell in der Laserspektroskopie, genutzt: Die Möglichkeit, kürzeste Laserpulse mit Dauern < 10^-15 s zu erzeugen, ist für die Kurzzeitspektroskopie nicht nur in der Physik, sondern auch in der Chemie und Biologie, von besonderer Bedeutung. Laser mit geringen Linienbreiten sind zu dem wohl vielseitigsten Werkzeug in der Elementen- und Isotopen-Analyse geworden und als solches aus Gebieten wie der Umweltanalytik und der Ultra-Spurenanalyse nicht mehr wegzudenken. Auch die hohen Strahlungsintensitäten leistungsstarker Laser erlauben es, im Experiment Bedingungen zu schaffen, die sich anders gar nicht realisieren liessen: Wird ein Infrarot-Laser mit einer Leistung von nur 100 W auf 10 mm² fokussiert, dann lassen sich bereits Leistungsdichten von 1 GW / cm² und elektrische Felder über 50 MV / m erzielen. Nicht zuletzt macht die hohe spektrale Brillanz den Laser in physikalischen Experimenten unersetzlich, die eine hohe Strahlungsleistung in einem schmalen Frequenzintervall verlangen: Um dieselbe Leistung, die ein 10 W-Laser mit einer Linienbreite von 1 MHz abgibt, in demselben Frequenzintervall von einem schwarzem Strahler zu erhalten, müsste dieser eine Temperatur von 10⁷ K besitzen, also ungefähr so heiss sein wie der Kern der Sonne!

7 Ausblick

Die zur Zeit angestrebten Weiterentwicklungen des Lasers lassen sich grob unter zwei Aspekten aufteilen:

· Die Verbesserung der Leistungsparameter: Pulsdauern, Pulsenergien und spektrale Eigenschaften von Lasern wie Frequenzstabilität und Emissionsbreite sind vor allem für wissenschaftliche Anwendungen von besonderem Interesse. Die technischen Möglichkeiten der existierenden Systeme scheinen inzwischen weitgehend ausgereizt zu sein, so dass Weiterentwicklungen hier inzwischen fast nur noch durch spezielle neue Resonatorsysteme und -komponenten, durch die Kombination verschiedener Lasertypen oder durch ganz neue Pumpmechanismen (z.B. bei der Erzeugung ultrakurzer Laserpulse) erzielt werden. Die Ausgangsleistung eines Lasers ist hingegen auch von nicht-wissenschaftlichen Interesse, so dass nicht nur spezielle Höchstleistungslaser weiter verbessert werden, um etwa Kernfusionsreaktoren realisieren zu können, sondern auch intensiv daran gearbeitet wird, für industrielle, technische und medizinische Anwendungen die Leistung relativ schwacher aber universell einsetzbarer und kostengünstiger Systeme, wie z.B. Diodenlaser, weiter zu steigern (Hochleistungs-Diodenlaser).

· Die Ausdehnung des Bereichs der Emissionsfrequenzen: vor allem für wissenschaftliche, aber auch für medizinische, Zwecke bemüht man sich inzwischen sehr intensiv darum, Laser im fernen UV- und im Röntgenspektrum zu realisieren. Dies geschieht zum Teil durch »indirekte« Massnahmen, wie z.B. Frequenzvervielfachung, zum Teil durch die Entwicklung anderer Medien für bereits existierende Lasersysteme, z.B. neue Laserfarbstoffe und anders dotierte Kristalle, und zum Teil durch neue Konzepte, wie z.B. den Freie-Elektronen-Laser. Die Hindernisse sind hier sehr vielfältig - ausser den rein technischen Problemen, etwa geeignete Spiegelmaterialien zu finden, existieren auch prinzipielle Schwierigkeiten: Zum einen sind die Lebensdauern angeregter Zustände gegen Strahlungszerfall proportional zu n^-3, so dass Besetzungsinversionen in Medien mit hoher Emissionsfrequenz n sehr kurzlebig sind. Zum anderen ist die für die Erreichung der Laseremission minimal notwendige spontane Strahlungsleistung des Mediums proportional zu n⁴. Das bedeutet für UV- und Röntgenlaser eine enorme Anforderung an den Pumpmechanismus und die Dichte des aktiven Mediums. Mit den bisher verwirklichten Systemen lassen sich im Bereich bis etwa l = 70 nm Leistungsdichten erzielen, die eine echte Alternative zur Synchrotronstrahlung aus Speicherringen darstellen. Bei allerdings nur deutlich geringeren Leistungen konnte sogar schon Laseremission bei 6 nm erreicht werden. In die Richtung der technischen Anwendung und kommerziellen Verwendbarkeit zielen Bemühungen, als Prototypen bereits existierende, blau emittierende Laserdioden zur industriellen Serienreife zu bringen. Obwohl schon lange eine ganze Reihe anderer Lasersysteme für diesen Frequenzbereich existiert, lassen sich in der Kommunikationstechnik und speziell zur Datenspeicherung auf CD-ROM aus Kosten- und Platzgründen im Prinzip nur Diodenlaser einsetzen. Da die auf einer Fläche erreichbare Speicherdichte proportional zu l^-2 ist, könnte allein durch den Einsatz blauer statt roter Diodenlaser die Speicherkapazität einer CD etwa vervierfacht werden.

Literatur:

F.K. Kneubühl, M.W. Sigrist: Laser, Stuttgart 1988;
A.E. Siegman: Lasers, Mill Valley, CA 1986;
M. Born: Optik, Berlin, Heidelberg 1985;
W. Demtröder: Laserspektroskopie, 3. Aufl., Berlin, Heidelberg, 1993.

 

Laser 1: Schematischer Aufbau eines einfachen Lasers.

 

Laser 2: Prinzipskizze der Unterschiede zwischen einem thermischen Strahler und dem kohärenten, monochromatischen Laser.

 

Laser 3: Laserprinzipien: a) spontane Emission; b) induzierte Emission; c) Absorption.

 

Laser 4: Besetzungsdichte bei Inversion im Vergleich zur thermischen Besetzung.

 

Laser 5: Herstellung der Besetzungsinversion durch verschiedene Pumpmechanismen: Photoabsorption, Elektronenstoss, Anregung.

 

Laser 6: Verstärkungsprofil eines Laserübergangs und Eigenfrequenzen der möglichen longitudinalen Lasermoden im Bereich des Profils. g bezeichnet die Netto-Verstärkung im Medium, a die Verluste im Resonator. Nur wenn die Verstärkung alle Verluste übersteigt, kann es zur Laseroszillation kommen.

 

Laser 7: Verstärkungsprofil von Medium und Resonator. Die Resonatormoden besitzen bei endlicher Resonatorgüte ebenfalls eine Frequenzbreite. Um einen single-mode Laser zu realisieren, kann durch Wellenlängenselektion, z.B. mit einem Etalon, die Nettoverstärkung im Frequenzbereich so reduziert werden, dass nur noch eine Resonatormode über dem Schwellwert liegt.

 

Laser 8: Beispiel für die Leistung eines Excimerlasers: Ein mit dem Excimerlaser beschriftetes menschliches Haar (Quelle: Lambda-Physik).