Techniklexikon

Stickstofflaser

Laserphysik und -technik, N₂-Laser, ein vibronischer Molekül-Gaslaser mit sehr hoher Strahlungsverstärkung (Kleinsignalverstärkung). Das Lasermedium besteht meist aus reinem Stickstoff bei Drücken zwischen wenigen mbar und mehr als 1 bar; der Stickstofflaser kann jedoch auch mit normaler Luft (78 % N₂) betrieben werden. Die Besetzungsinversion erzielt man mittels Elektronenstossanregung in einer Gasentladung. Das Energieniveauschema des N₂-Lasers ist mit den elektronischen Zuständen  und  dargestellt, die jeweils mehrere Vibrationsniveaus besitzen (siehe Abb.; Franck-Condon-Prinzip). Insgesamt sind über 440 verschiedene Laseremissionslinien bekannt, die sich vom ultravioletten bis in den mittleren infraroten Spektralbereich erstrecken. Übergänge zwischen Vibrationsniveaus der angeregten elektronischen Zustände  und  besitzen Emissionswellenlängen zwischen 0,75 und 1,24 mm. Die intensivste Linie des Stickstofflasers bei 337,1 nm resultiert jedoch aus dem Übergang zwischen den jeweils untersten Vibrationszuständen . Auf Grund der Beteiligung vieler Rotationszustände beider Vibrationsniveaus ergibt sich in diesem Fall eine relativ grosse Emissionsbandbreite von ca. 0,1 nm. Mit der direkten Elektronenstossanregung des C-Zustands entspricht das Niveauschema einem Drei-Niveau-Laser. Da ausserdem die beteiligten Laserniveaus C und B Lebensdauern  besitzen (ebenso ), ist der Stickstofflaser »self-terminating« (d.h. die Bestzunginversion kann nicht aufrechterhalten werden) und daher nur als Pulslaser zu betreiben.

Die Vorteile dieses Lasertyps lagen lange Zeit in seiner hohen Leistung bei verhältnismässig geringem technischen Aufwand: Erreichbare Pulsspitzenleistungen liegen bei 10 MW bei Pulsdauern um 5 ns und Repetitionsfrequenzen um 100 Hz. Inzwischen wurde er jedoch weitgehend von Excimerlasern abgelöst. Physikalisch interessant bleibt der N₂-Laser jedoch wegen seiner Kleinsignalverstärkung von bis zu 340 db / m (entsprechend 2 cm^-1) für die Linie bei 337,1 nm, die damit z.B. etwa um einen Faktor 100 grösser als die Verstärkung im Argon-Ionen-Laser ist. Dies erlaubt im Prinzip den Betrieb des Lasers ohne Resonatorspiegel, d.h. eine das Medium durchlaufende Welle (ausgelöst durch eine erste spontane Photonenemission) kann quasi die gesamte Besetzungsinversion in einem Durchgang abbauen (Superradianz). Um die effektive Weglänge im Medium zu erhöhen und die Strahlqualität zu verbessern, wird jedoch typischerweise mindestens ein Spiegel verwendet.

Stickstofflaser: Energieniveauschema des Stickstofflasers.