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Lexikon der Optik: Rubinlaser

Rubinlaser, erster, 1960 realisierter Laser, der auch heute noch zu den wichtigen Festkörperlasern gehört. Das aktive Medium besteht aus Aluminiumoxid (Al2O3) als Wirtsgitter, das mit 0,05% Chromionen (Cr3+) dotiert ist, wobei die Cr3+-Ionen auf Gitterplätze an Stelle von Al3+-Ionen eingebaut sind. Die Rubinkristalle haben Stabform mit einer Länge zwischen 100 und 300 mm und einem Durchmesser von 3 bis 20 mm, hergestellt nach dem Verneuil-Verfahren, d.h. der Schmelzung von Al2O3- und Cr2O3-Pulver in einer Knallgasflamme. Nach dem Czochralski-Verfahren werden die Kristalle aus der Schmelze gezogen.

Der R. arbeitet nach dem Schema eines 3-Niveausystems. Die Laseremission erfolgt durch Übergänge von 3d-Elektronen der Cr3+-Ionen bei einer Wellenlänge von λ=0,6943 μm. Zur Anregung wird ausschließlich optisches Pumpen angewendet, durch welches die Elektronen aus dem Grundzustand 4A2 in das Absorptionsband 4F1 oder 4F2 gebracht werden, von dem sie durch einen schnellen Realxationsprozeß (von ≈10-7 s Dauer) in das aufgespaltene metastabile Niveau 2E als oberes Laserniveau übergehen (Abb.). Das untere Laserniveau ist das Grundniveau, so daß zur Erzielung einer Besetzungsinversion mehr als die Hälfte aller Cr3+-Ionen angeregt sein muß. Hierzu sind hohe Pumpleistungen erforderlich (bis 10 MW bei einer Impulsdauer von 1 ms), die mit stabförmigen Xe-Lampen in einer elliptischen, vielfach auch mehrfach-elliptischen Pumplichtanordnung erzeugt werden. Der R. wird vorwiegend im Impulsbetrieb mit Folgefrequenzen um 100 Hz verwendet, wobei Strahlungsleistungen um 30 kW üblich sind bei Maximalwerten bis zu 500 kW. Bei genügend starkem Pumpen und entsprechender Kühlung ist auch kontinuierlicher Betrieb möglich mit Ausgangsleistungen von einigen 100 W. Der Wirkungsgrad liegt bei nahezu 1%. Die Strahlung des R. besitzt eine geringe Strahlqualität (bedingt durch Inhomogenitäten des Kristalls) und zeigt ausgeprägtes Spike-Verhalten. Angewandt wird der R. insbesondere in der nichtlinearen Optik sowie als Pumplaser zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse (Pikosekundenlaser).



Rubinlaser: Vereinfachtes Energieniveauschema für die Cr3+-Ionen in einem Rubinlaser.

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