Die Vielfalt der Lasertechnologien

Hier werden die laseraktiven Gase oft in elektrischen Entladungen angeregt, weshalb meist Niederdruck-Gasentladungsröhren zum Einsatz kommen. Beispiele sind der HeNe-Laser, der in der Messtechnik, als Justierlaser im Labor oder als Laserkreisel zur Rotationsbestimmung und Navigation genutzt wird. Der CO₂ -Laser, der mit einem Gasgemisch (CO₂ , N₂ , He) betrieben wird, ist mit über 30 % elektrisch-optischem Wirkungsgrad immer noch ein wichtiger Hochleistungslaser zur Materialbearbeitung (Abb. 1). Und Argon-Ionen- und Metalldampf-Laser werden in der Medizintechnik im sichtbaren Spektralbereich eingesetzt.

Diese nutzen flüssige Lasermedien, oft organische Moleküle in einer transparenten Lösung, z. B. Stilbene, Cumarine, Rhodamine in Methanol, Wasser oder DMSO. Farbstofflaser waren lange Zeit wichtige Laser in der Spektroskopie, Medizin und Messtechnik, da die Farbstoffe oft ein sehr breites Verstärkungsspektrum aufweisen und daher durchstimmbare Laserstrahlung insbesondere im sichtbaren Spektralbereich erzeugen können. Allerdings ist die Handhabung dieser Laser eher kompliziert, was auf die Verwendung von Hochdruck-Flüssigkeitsjets als Laserelement zurückzuführen ist. Daher werden diese Laser wo möglich durch durchstimmbare Quellen auf Basis nichtlinearer optischer Kristalle ersetzt.

Die Festkörperlaser stellen den größten Teil der Lasertypen dar. Sie nutzen laseraktiv-dotierte Kristalle oder Gläser als Lasermedium, aber auch Halbleiter- und Farbzentren-Laser fallen in diese Kategorie (Abb. 2). So war der erste Laser, ein Rubinlaser, von diesem Typ. Dabei kommt den Halbleiterlasern eine besondere Bedeutung zu, da diese effizient Elektrizität in Laserlicht wandeln, welches dann zum Anregen der anderen Lasermedien benutzt wird.

Die Festkörperlaser mit stabförmigen Lasermedien liefern im Hochleistungsbereich eher schlechte Strahlqualitäten, da die Wärmegradienten im Lasermedium zu nachteiligen Linseneffekten, sog. Thermischen Linsen, führen. Daher wurden als besondere Ausführungsform der Faser- und Scheibenlaser entwickelt.

Beim Faserlaser macht man sich die Lichtleitung zu Nutze, wie sie bspw. in einer Stufenindexfaser entsteht. Dadurch gibt das Brechungsindexprofil die geführte Lasermode und somit die Strahlqualität vor und thermische Effekte treten zunächst zurück. So konnten auf Basis von Ytterbium-Ionen in Quarzglasfasern Laserleistungen von einigen kW bis über 100 kW realisiert werden, die insbesondere bei der Materialbearbeitung eingesetzt werden.

Beim Scheibenlaser nutzt man ein sehr dünnes Lasermedium, welches oft als Spiegel ausgeführt ist. So wird eine gute Kühlung erreicht und die auftretenden Wärmegradienten liegen in Strahlrichtung und nicht transversal dazu, was die thermischen Linseneffekte signifikant reduziert. Auf Basis von Ytterbium-dotierten Kristallen werden auch hier Leistungen über 10 kW für die Materialbearbeitung erreicht.

Der FEL ist ein Sondertypus, da er kein eigentliches Lasermedium nutzt, sondern einen relativistischen Elektronenstrahl, der über periodisch abwechselnd polarisierte Magnete zu einer Zick-Zack-Bewegung entlang einer Linie gezwungen wird. Dadurch entsteht Synchrotron-Strahlung, die sich bei geeigneter Elektronengeschwindigkeit und Magnetfeldperiode konstruktiv überlagert und verstärkt. Baulich sind dies die größten einzelnen Lasersysteme, da sie einen Elektronen-Beschleuniger und die FEL-Magnetstruktur benötigen. Diese Laser werden daher nur an wenigen Orten betrieben und hauptsächlich zur Strukturanalyse von komplexen Molekülen oder der Beobachtung schneller Prozesse bspw. in chemischen Reaktionen eingesetzt.

Auch wenn es so viele verschiedene Lasermedien und Ausführungsformen von Lasern gibt, kommt es doch zu „weißen Flecken“ auf der Wellenlängenkarte – Wellenlängen, die mit keinem sinnvoll nutzbaren Lasermaterial erzeugt werden können. Um diese dennoch zu erzeugen nutzt man optische Frequenzkonverter auf Basis nichtlinearer Materialien und verschiedener Prozesse.

Bei der Frequenzverdopplung wird in einem nichtlinearen Kristall die zweite Harmonische einer einfallenden Laserwelle erzeugt. Dabei spielt die Phasenanpassung, d. h. die Impulserhaltung der beteiligten Photonen, eine entscheidende Rolle. Dazu nutzt man doppelbrechende Kristalle oder periodisch-orientierte Kristalle. Beim Raman oder Brillouin-Laser werden die entsprechenden Streuprozesse genutzt, wobei das Laserlicht rotverschoben (energieärmer) wird und die Restenergie an das Medium in Form von Wärme abgegeben wird.

Beim optisch-parametrischen Oszillator wird ein nichtlinearer Kristall genutzt um eine Laserstrahlung (Pumpe) in zwei neue Strahlen (Signal und Idler) zu konvertieren, deren Photonenenergien zusammengenommen die Energie des ursprünglichen Laserphotons ergeben. So entstehen zwei neue Wellenlängen aus einer festen Laserwellenlänge. Durch Rotation oder Erwärmung des Kristalls wird die Phasenanpassung beeinflusst und so die Wellenlängen verändert.

Eine besondere Form der nichtlinearen Konversion stellt die Superkontinuumserzeugung dar. Dabei wird Laserlicht in einer nichtlinearen optischen Faser über verschiedene Prozesse spektral stark verbreitert, so dass es schließlich Weißlicht sehr nahekommt.

Die aktuellen Forschungsaktivitäten an den verschiedenen Lasertechnologien sind vielschichtig und in den meisten Fällen anwendungsgetrieben. Dabei spielen sowohl Leistungsskalierung, Industrialisierung und Kostenreduktion neuer Laserquellen eine große Rolle, von kleinsten Laserquellen bis hin zu Fragestellungen großer Lasersysteme wie in der Laserfusion, als auch das Erforschen neuer Lasermedien, zum Beispiel für spektral breitbandige Laseremission für ultrakurze Laserpulse oder neue Wellenlängen.