FT_06

Während bei gewöhnlichen Lichtquellen (z.B. Glühbirne) die Emission von Strahlung
spontan und ungerichtet erfolgt, ist die Strahlung bei einem Laser aufgrund der
induzierten oder stimulierten Emission kohärent und monochromatisch. Durch
die erzielbare geringe Divergenz (Strahlaufweitung von nur wenigen 1/10 mrad) sind
lange Übertragungswege ohne nennenswerte Strahlaufweitung möglich.

Anregung auf höheres Energieniveau
durch Energiezufuhr von Außen
Beim Auftreffen eines Photons erfolgt
eine Abgabe der Anregungsenergie in
Form von elektromagnetischer
Strahlung charakteristischer
Wellenlänge
2 Photonen der selben Wellenlänge
verlassen das System

Prinzip der stimulierten Emission

Kurz: Lichtwelle wird im Resonator zur Verstärkung durch Mehrfachreflektion optisch rückgekoppelt

Im Resonator wird das Lasermedium (Gasmoleküle, Ionen) durch
Energieeinbringung (elektr. Gasentladung, Blitzlampen) angeregt, d.h. auf ein
höheres Energieniveau gebracht ("Pumpen"). Beim Zurückfallen auf ein niedrigeres
Niveau wird die Energie in Form eines Lichtquants frei. Die Wellenlänge ist dabei
abhängig von der Energiedifferenz zwischen den beiden Anregungszuständen und
somit charakteristisch für das jeweilige Lasermedium. Dieser Übergang kann
entweder spontan oder induziert erfolgen. Während die spontane Emission ungerichtet
und inkohärent erfolgt (z.B. in Leuchtstoffröhren), wird Laserstrahlung durch induzierte
Emission erzeugt, wenn ein Teilchen, das sich auf einem höheren Energieniveau befindet, von einem Lichtquant getroffen wird. Das erzeugte Lichtquant hat dabei dieselben Eigenschaften (Frequenz, Richtung, Phase) wie das einwirkende Lichtquant („Kohärenz“).

Damit das Verhältnis der gewünschten induzierten Emission zur spontanen möglichst groß ist, muss das obere Energieniveau im Vergleich zum niedrigeren ständig überbesetzt sein.

Dadurch kann sich zwischen den Endspiegeln des Resonators, von denen einer teildurchlässig ist, eine stehende Welle ausbilden, so dass immer wieder Teile des angeregten Lasermediums Licht emittieren.

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150 - 350 nm Excimer-Laser
Mikrobearbeitung (Chipherstellung), Medizinanwendungen (Augen)

380 - 780 nm Sichtbares Licht
Laserpointer

532 nm (grün) Nd:YAG mit Freuquenzverdopplung oder Praseodym als
Dotierungselement

670 - 1100 nm (rot-IR) Titan:Saphirlaser
Pulse im fs-Bereich möglich

1030 nm (IR) YAG-Scheibe, Dotierungsmaterial Yb (Scheibenlaser)
1064 nm (IR) YAG-Stab, Dotierungsmaterial Nd (Nd:YAG Laser)
1070-1080 nm (IR) Glasfaser mit Dotierungsmaterial Yb (Faserlaser)

3 μm (IR) Dotierungsmaterial Erbium
Augensicher und wird daher zur Entfernungsmessung verwendet

10,6 μm CO2-Laser
570 μm Methanol-Laser

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Wirkungsgrade von bis zu 15 % erzielt

Der hohe
Verlustanteil tritt in Form von Wärme auf und muss aus dem Resonator abgeführt
werden.

Das Gasgemisch ständig umgewälzt und dabei durch einen
Wärmetauscher geführt

zwischen längs- und quergeströmten Lasersystemen unterschieden

quergeströmten Systemen
- Mehrfachfaltung des Strahls bei kompakter Bauweise
=> höhere Ausgangsleistungen als mit längsgeströmten Systemen

die Strahlqualität ist dabei jedoch schlechter

Bei der Gleichstromanregung (Hochspannung)

-Elektroden innerhalb des Resonators
-Wechselwirkung des Elektrodenmaterials mit den Gasmolekülen
=> Elektrodenabbrand
=> Elektrodenverschleiß & Verunreinigung des Lasergases  =>Ein Teil des Gasgemisches muss daher
permanent ausgetauscht werden.

-heute nicht mehr gebräuchlich

hochfrequenten Wechselstromanregung (HF-Anregung)

-Elektroden außerhalb des Gasentladungsrohres angebracht
-elektrische Energie kapazitiv eingekoppelt

-Hohe Lebensdauer der Elektroden
-hohe erzielbare Pulsfrequenzen

Laserleistung: bis 20 kW
Wellenlänge: 10,6 μm
Strahlqualität K: 0,2 - 0,9
Strahlqualität SPP: 4 - 17 mm*mrad
Wirkungsgrad: etwa 10%

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Laserleistung: bis 6 kW
Wellenlänge: 1064 nm
SPP: 12 – 25 mm*mrad
Wirkungsgrad: etwa 3–5% bzw. 10%

• Festkörperlaser
• In der Regel dient ein zylindrischer Festkörperstab zur Aufnahme der laseraktiven Ionen
  • (im Falle des Nd:YAG-Lasers mit Nd3+-Ionen dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Kristalle).

Diodenbänke zur Anregung des laseraktiven Mediums

• emittiertes Licht wird kollimiert und auf das aktive Medium gerichtet 
• Wirkungsgrad liegt bei ca. 12 %. I
• die einzelnen Diodenbänke brauchennur verhältnismäßig wenig Leistung
  •   hohe Lebensdauer

Anregung über Blitz- oder Bogenlampen

• zur optimalen Einkopplung der Anregungsenergie in einem Doppelellipsoid angeordnet
  • in deren gemeinsamem Brennpunkt liegt der Festkörperstab
• Wirkungsgrad jedoch < 4%

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Laserleistung: bis 30 kW
Wellenlänge: 1070 - 1080 nm
Strahlqualität SPP: 2 – 12 mm*mrad
Wirkungsgrad: max. 30%

• Die optische Faser (Glasfaser) ist mit aktivem Material dotiert
  • Ionen aus der Gruppe der seltenen Erden, meist Ytterbium
• Durch Anregung dieser Teilchen geben sie ihre Energie in Form von Laserstrahlung ab.

Durch die Länge der Faser ergibt sich eine große Oberfläche und damit eine effektive Kühlung.

• Der Faserlaser ist vom Prinzip her ein diodengepumter Festkörperlaser.
• aktives Medium jedoch kein (wie beim Nd:YAG-Laser)
  • sondern dotierte Lichtleitfaser
• In aktives Material wird das von den Dioden erzeugte Licht eingekoppelt
• Strahlung verbleibt durch Totalreflexion in der Faser und induziert so die weitere Emission von Laserstrahlung.

Möglich!

Aber die Herstellung dieser Faser ist sehr aufwendig und teuer

Daher wird der Strahl in herkömmliche Glasfasern eingekoppelt.

Wie auch beim Nd:YAG und Scheibenlasern werden beim Faserlaser einzelne Module (typische Strahlleistung jeweils 600 W bis 1 kW) zusammengeschaltet, um

Laserleistung: bis 16 kW
Wellenlänge: 1030 nm
Strahlqualität SPP: 2 - 8 mm*mrad
Wirkungsgrad: max. 30%

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• Der Scheibenlaser ist eine Form des Festkörperlasers
• aktives Medium (der Laser-Kristall) hat die Form einer Scheibe

Prinzip:

• Laserstrahl durch mehrfache Durchgänge der Pumpstrahlung durch die Laserscheibe erzeugt.
• Einer der Resonatorspiegel ist an der Rückseite der Kristallscheibe aufgedampft
• gegenüberliegender Auskoppelspiegel befindet sich in einiger Entfernung zur Scheibe.

• bessere Kühlung des Laserkristalls durch Form.
• Laserkristall unterliegt nur geringen mechanischen Spannungen
  • wegen der Wärmeableitung über eine gesamte Grundfläche der Laserscheibe
• Laserkristall ist mit der verspiegelten Fläche auf eine Wärmesenke (bzw. Kühlfinger) geklebt
• Hohe Fokussierbarkeit im Vergleich zu anderen Hochleistungs-Festkörperlasern

Diodenlaser
Laserleistung: bis 15 kW
Wellenlänge: 808 - 1040 nm
Strahlqualität SPP : 5 – 100 mm*mrad
Wirkungsgrad: max. 50%

In der Fertigung:

• Stablaser (Nd:YAG Laser) durch Diodenlaser ersetzt
• haben bis 4 kW eine ähnliche Strahlqualität (20 - 30 mm*mrad)

Diodenlaser mit Leistungen von 6 kW bis 20 kW sind möglich, erreichen jedoch lediglich Strahlqualitäten von 40 – 100mm*mrad und Fokuspunktdurchmesser von 0,6 – 1,5 mm.

• Mechanische Robustheit,
• hoher Wirkungsgrad
• geringe Abmessungen

wenn geeignete Spannung angelegt =>

freie Elektronen können aus dem Leitungsband des n-dotierten (n wie negativ, freibeweglicheElektronen) Halbleiters in die Löcher im Valenzband des p-dotierten (p wie positiv,freibewegliche positive Lücken) Halbleiters übergehen

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ein sogenannter Laserbarren in den Abmessungen
10 mm x 0,6 mm x 0,1 mm, der auf einen Kühlkörper aufgebracht ist