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Lexikon der Optik: Festkörperlaser

Festkörperlaser, vielfach verwendeter Lasertyp (Abb.) zur Erzeugung hoher Impulsstrahlungsleistungen im sichtbaren und insbesondere im nahen Infrarot-Bereich (bei einer Wellenlänge um 1 μm), dessen aktives Medium ein mit strahlungsfähigen Ionen dotierter Festkörper ist. Als optisch durchlässige Festkörper kommen eine Reihe von Kristallen oder auch Glas in Betracht, in die als laseraktive Zentren Ionen von Metallen oder Übergangsmetallen, seltenen Erden oder Aktiniden eingebaut werden. Die Ionen besetzen dabei im allgemeinen normale Gitterplätze des Wirtsgitters. Sie besitzen einerseits breite Absorptionsbänder im optischen Bereich und zum anderen eine Reihe von Fluoreszenzlinien, die Übergängen zwischen Elektronenniveaus entsprechen und für den Laserbetrieb in Betracht kommen. Die Anregung der Ionen und damit die Erzeugung einer Besetzungsinversion erfolgt dabei ausschließlich durch optisches Pumpen mittels Blitzlampen oder auch Laserdioden (Abb.). Durch Absorption in den breiten Absorptionsbändern erfolgt die Anregung höherer Elektronenniveaus, deren Besetzung über schnelle Relaxationsprozesse auf das obere Laserniveau übertragen wird. Bei einem dann leeren unteren Laserniveau (wie es bei einem Vierniveausystem auftritt, ein typischer Vertreter ist hier der Neodymglaslaser) oder bei genügender Entleerung dieses Niveaus durch den optischen Pumpprozeß (wie es beim Rubinlaser der Fall ist) wird dann eine Besetzungsinversion erreicht.

Die Dotierung des Kristalls mit Ionen ist im allgemeinen auf wenige Prozent (Neodymglaslaser) oder sogar nur 0,05% (Rubinlaser) beschränkt. Die Herstellung der Kristalle erfolgt durch Züchtung nach dem Verneuil- oder auch dem Czochralski-Verfahren.F. werden üblicherweise mit Kristallen von einigen Zentimetern Länge und einigen Millimetern Durchmesser betrieben, in speziellen Fällen erstrecken sich die Abmessungen der Laserstäbe bis zu 1 m Länge und einigen cm Durchmesser (speziell für (Glas-) Laserverstärker), oder sie liegen auch nur im Bereich von einigen 100 μm (Miniaturfestkörperlaser).

Laserstrahlung wird für die verschiedenen Wellenlängen λ im Bereich zwischen 0,3 und 2,6 μm erhalten, je nach Art der verwendeten aktiven Ionen. Eine Auswahl ist tabellarisch zusammengestellt. Ein Teil dieser Lasermaterialien ist weitgehend nur von wissenschaftlichem Interesse. Die wichtigsten F. sind der Rubinlaser (λ = 0,694 μm), der Neodymglaslaser und Neodym-YAG-Laser (λ = 1,06 μm) wie auch der Titan-Saphir-Laser (λ = 0,8 μm). F. strahlen sowohl kontinuierlich mit Leistungen im Wattbereich (bis zu einigen Hundert W, in erster Linie kommt hierfür der Nd-YAG-Laser in Betracht) als auch im Impulsbetrieb, wobei bei Impulsdauern bis in den ms-Bereich Impulsenergien von etwa 100 J erreicht werden.

Angewandt wird der F. vorwiegend in der Materialbearbeitung, im Bereich der nichtlinearen Optik sowie der Plasmaerzeugung im Rahmen der Untersuchungen zum Röntgenlaser und der lasergesteuerten Kernfusion.





Festkörperlaser: Aufbau eines Festkörperlasers (schematisch).

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