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Lexikon der Optik: Farbstofflaser

Farbstofflaser, erstmals 1966 realisierter Lasertyp, der sich dadurch auszeichnet, daß die Wellenlänge seiner Strahlung über einen weiten Spektralbereich (maximal 100 nm) kontinuierlich durchstimmbar ist (abstimmbare Laser), weshalb er weitgehende Anwendung in der Laserspektroskopie findet. Als aktives Medium dienen Farbstoffe (Laserfarbstoffe) in Lösungsmitteln, wobei der Wellenlängenbereich, in dem Laseremission möglich ist, sowohl vom Farbstoff als auch in gewissen Grenzen vom Lösungsmittel abhängt. Die komplizierten vielatomigen Farbstoffmoleküle besitzen ein ausgedehntes π-Elektronensystem mit einem Energieniveauschema, das sich aus einem, für die Laseremission verantwortlichen, Singulett- und einem Triplettsystem zusammensetzt. Den Elektronenzuständen überlagert sind eine Vielzahl von Schwingungsniveaus, die aufgrund starker inter- und intramolekularer Wechselwirkung gekoppelt sind, so daß sich Besetzungsunterschiede zwischen ihnen innerhalb kürzester Zeit (10-12 s) ausgleichen. Das bedingt, daß die einzelnen Elektronenzutände breite Banden bilden, die für eine Absorption oder auch Emission von Strahlung zur Verfügung stehen: Die Farbstoffmoleküle besitzen ein breites Fluoreszenzspektrum. Die Erzeugung einer Besetzungsinversion erfolgt durch Anregung der breiten Bande des ersten angeregten Singulett-Elektronenzustandes, während die angeregten Schwingungszustände des Elektronenzustandes, in denen der Laserübergang endet, bei Zimmertemperatur unbesetzt sind. Vom oberen Laserniveau aus erfolgen auch strahlungslose Übergänge in den Triplettzustand. Während dessen relativ großer Lebensdauer stehen die betreffenden Moleküle nicht für den Laserprozeß zur Verfügung. Um den störenden Einfluß des Triplettzustandes gering zu halten, werden Triplettlöscher verwendet, die seine Lebensdauer verringern.

Die Anregung des Singulettzustandes und damit die Erzeugung der Besetzungsinversion erfolgt ausschließlich durch optisches Pumpen und ist kontinuierlich wie auch im Impulsbetrieb mit Impulsdauern zwischen 10-6 und 10-12 s möglich. Die notwendigen Pumpleistungsdichten betragen 105 bis 106 kW/m2 innerhalb des Wellenlängenbereiches von 200 bis 1200 nm. Als Pumplichtquellen werden Blitzlampen (mit Energien von 50 bis 500 J) und bevorzugt der Argonionenlaser, der Excimerlaser, der Nd-YAG- und Nd-Glas-Laser sowie deren Harmonische verwendet. Das aktive Medium wird innerhalb des Laserresonators in Form von Küvetten von 50 bis 150 mm Länge angeordnet oder durchströmt diesen in Form eines jet streams. Entsprechend der verwendeten Pumpanordnung, die den zeitlichen Verlauf der Laseremission wesentlich bestimmt, wird üblicherweise zwischen dem kontinuierlichen F., dem Blitzlampen-F. und dem Nanosekunden-F. unterschieden. Cw-F. verwenden das aktive Medium ausschließlich in Form eines jet streams. Gepumpt wird mit cw-Gaslasern (vorwiegend Argonionenlasern). Die Ausgangsleistung liegt bei 1 W. Blitzlampen-F., gepumpt mit stabförmigen Blitzlampen in einer Pumpanordnung mit elliptischem Reflektor, enthalten die Farbstofflösung in zylinderförmigen Küvetten aus Quarz oder Glas, die von der Farbstofflösung mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 l/min durchströmt werden. Bei einer Impulsdauer von etwa 1 μs und einer Folgefrequenz bis 30 Hz werden Ausgangsleistungen bis zu einigen MW erreicht. Mit Pumpimpulsen von einigen Nanosekunden Dauer gepumpt wird der Nanosekunden-F., wobei als Pumplichtquellen heute bevorzugt Excimer- und Stickstofflaser verwendet werden, aber auch die Harmonischen des Nd-Glas- und des Nd-YAG-Lasers. Die Farbstofflösung befindet sich stationär in rechteckigen oder zylinderförmigen Küvetten. Die Impulsdauer der Strahlung beträgt bis zu 10 ns. Bei einer Folgefrequenz von 100 Hz werden Ausgangsleistungen von 105 W erreicht.

Die Strahlung des F., mit dem bei Verwendung verschiedener Farbstoffe insgesamt der Spektralbereich zwischen 0,32 μm und 1,28 μm überdeckt werden kann, läßt sich kontinuierlich abstimmen, bei Verwendung eines Farbstoffs in einem bis zu 100 nm breiten Wellenlängenbereich. Aufgrund dieser Strahlungseigenschaften erfolgt die Anwendung des F. bevorzugt in der Spektroskopie zur Untersuchung von Atom- und Molekülzuständen. Er wird dabei häufig als Pikosekundenlaser betrieben.

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