Typen

Gaslaser

Demonstrationslaser: In der Mitte ist das Leuchten der Gasentladung zu sehen, die das Lasermedium anregt. Der Laserstrahl selbst ist rechts als roter Punkt auf dem weißen Schirm zu erkennen.

Laser bei denen das aktive Medium gasförmig ist. Zumeist werden Gaslaser elektrisch durch eine Gasentladung im Medium gepumpt.Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser): Wichtigste Emissionswellenlänge bei 632,8 nm (rot). Kohlendioxidlaser (CO2-Laser): etwa 10,6 μm Wellenlänge (mittleres infrarot), wichtiger Industrielaser

Kohlenmonoxidlaser (CO-Laser): etwa 6-8 μm Wellenlänge (mittleres infrarot), funktioniert nur gekühlt

Stickstofflaser (N2-Laser): 337,1 nm (ultraviolett)

Argon-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 457,9 nm (8%), 476,5 nm (12%), 488,0 nm (20%), 496,5 nm (12%), 501,7 nm (5%), 514,5 nm (43%) (blau bis grün)

Helium-Cadmium-Laser (HeCd-Laser): wichtigste Laserquelle für blau (442nm) und nahes UV (325nm)

Krypton-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 350,7nm; 356,4nm; 476,2nm; 482,5nm; 520,6nm; 530,9nm; 586,2nm; 647,1nm (stärkste Linie); 676,4nm; 752,5nm; 799,3nm (blau bis tiefrot)

Sauerstoff-Ionen-Laser

Xenon-Ionen-Laser

Mischgas-Laser, enthalten keine reinen Gase, sondern eine Mischung verschiedener (meist Argon und Krypton)

Excimerlaser, z. B. KrF (248 nm), XeF (351-353 nm), ArF (193 nm), XeCl (308 nm), F2 (157 nm) (alles ultraviolett)

Metalldampflaser, z. B. Kupferdampflaser, bei 510,6 und 578,2 nm. Aufgrund der hohen Verstärkung kann ein Kupferdampflaser auch ohne Resonatorspiegel betrieben werden.

Metallhalogenid-Laser, z.B. Kupferbromid-Laser, bei 510,6 und 578,2 nm. Aufgrund der hohen Verstärkung kann ein Kupferbromidlaser auch ohne Resonatorspiegel betrieben werden.

Eine Sonderform sind die chemisch gepumpten Laser. Hier erfolgt das Pumpen durch eine chemische Reaktion im Medium. Dieses Medium ist nach der Reaktion verbraucht und kann dementsprechend nur einmal verwendet werden. Ideal für transportable Hochleistungsanwendungen vor allen im militärischen Bereich.

HCl-Laser

Iod-Laser

Farbstofflaser

Bei diesem Laser Typ ist ein organischer Farbstoff in alkoholischer Lösung (oft Methanol oder Ethanol) das aktive Medium. Die Farbstofflösung wird dabei ständig umgepumpt, um ein Ausbleichen (photochemische Degeneration) zu vermeiden.

Beispiel für Farbstoffe:

Stilben, Coumarin, Rhodamin, LDS (Farbstoff), DCM für unterschiedliche Wellenlängen

Farbstofflaser werden im allgemeinen durch andere Laser gepumpt. Dabei nimmt man einen Leistungsverlust durch den endlichen Wirkungsgrad des Farbstofflasers in kauf um andere Wellenlängen zu erzeugen. Gepumpt werden kann sowohl kontinuierlich (kurz cw für engl. continuous wave) als auch gepulst.

Festkörperlaser

er Festkörperlaser war der erste Laser, entwickelt vom Maiman im Jahre 1960: Rubinlaser. Ein Trägerkristall wird mit Ionen eines fremden Stoffes dotiert. Diese Ionen sind das eigentliche aktive Medium. Die Laserübergänge der Ionen sind innerhalb des d-Orbitals. Diese Orbitale sind nicht an chemischen Bindungen beteiligt. Das Trägermaterial (Kristall, Glas) nimmt daher nur geringen Einfluss auf die Eigenschaften der Ionen. Beispiele für Trägermaterialien sind:

Glas

Vorteil : einfache Herstellung auch in großen Dimensionen

Nachteil: geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Festigkeit

Al2O3 (Korund) (z.b. Rubin, Ti:Saphir-Laser)

Vorteil : hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit

Nachteil: relativ hohe Absorption, teuer

YAG (Yttrium-Aluminium-Granat-Laser)

Vorteil : hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, geringe Absorption

Nachteil: teuer

Beispiele für Dotierungsmaterialien sind:

Chrom war das Dotierungsmaterial des ersten Lasers des Rubinlaser (694,3 nm (rot)) Aufgrund der geringen Effizenz heute kaum noch verwendet.

Neodym: Der wichtigste kommerzielle Festkörperlaser: Nd:YAG-Laser, bei 1064 nm (infrarot), beziehungsweise frequenzverdoppelt bei 532 nm (grün). Auch möglich sind: Nd:Glas, Nd:YLF ...

Ytterbium erlaubt im Laserbetrieb einen hohen Wirkungsgrad >50%. Es bedarf dazu allerdings eines schmalbandigen Pumpens mit Laserdioden (940nm). Das wichtigste Material mit dieser Dotierung ist der Yb:YAG-Laser, z.B. hochdotiert als Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030nm.

Titan Ein wichtiger modengekoppelter Festkörperlaser: Ti:Saphir-Laser, 670-1100 nm (rot-infrarot), aufgrund breitbandiger Verstärkung für Pulse im fs-Bereich geeignet

Verschiedene Formen des aktiven Mediums:

Stablaser

Mikrokristalllaser

Slablaser

Faserlaser

Scheibenlaser

Farbzentrenlaser

Wie bei dem Festkörperlaser handelt es sich bei dem Farbzentrenlaser um einen Laser bei dem Defekte (Fremdionen, Gitterfehler, Ladungen) in einem Trägerkristall eingebettet sind. Die Laserübergänge bei dem Farbzentrenlaser werden aber durch die Wechselwirkung der Störstellen mit dem Gitter erzeugt.

Beispiele:

eine Lithium Fehlstelle in Lithiumfluorid

Natriumchlorid

Halbleiterlaser

Bei dem Halbleiterlaser werden Übergänge im Halbleiter zur Besetzungsinversion verwendet. Laserdioden sind direkt elektrisch gepumpte Laser. Die Leistung von Laserdioden mit guter Strahlqualität (M⊃2;<1,5) beträgt weniger als ein Watt. Multimode Dioden erreichen bei schlechterer Strahlqualität (1,5<M⊃2;<100) Leistungen bis 10W.

Mehrere Einzeldioden können in einem schmalen Chip (ca. 0,1 x 1 x 10 mm) nebeneinander integriert sein. Diese sogenannten Barren liefern, auf eine Wärmesenke montiert, bis ca. 50 Watt (Barren mit mehreren hundert Watt Ausgangsleistung sind in der Entwicklung, Stand Sep.2005). Die Einzeldioden sind dabei elektrisch parallel geschaltet. Den montierten Barren nennt man auch "submount". Durch Kopplung vieler solcher Barren bzw. submounts in einem sogenannten stack (Stapel) werden Leistungen im kW-Bereich bei entsprechend schlechter Strahlqualität erreicht (M⊃2;>100). Bis zu 6 Stapel kann man durch verschiedene Wellenlängen (üblich bis 3) und Polarisationsrichtungen verlustarm ohne Verschlechterung der Strahlqualität optisch addieren. Damit erreicht man Leistungen im zweistelligen kW-Bereich. Bei den optischen Pumpen von anderen Lasern durch Laserdioden muss die Pumpwellenlänge exakt getroffen werden. So ist in diesem Fall nur die Polarisationskopplung möglich.

Weitere Halbleiterlaser sind:

Optisch gepumpte Halbleiterlaser, auch Halbleiter-Scheibenlaser

Quantenkaskadenlaser

Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) (sowohl optisch als auch elektrisch gepumpt)

Abstimmbarer Laser (Tunable Laser Source, TLS) mit veränderbarer Wellenlänge

Freie-Elektronen-Laser (FEL)

Bei Freie-Elektronen-Lasern fungiert ein hochenergetischer Elektronenstrahl als aktives Medium. Dieser Elektronenstrahl wird durch einen Undulator, der aus Magneten besteht, die längs der Strahlrichtung so angeordnet sind, dass das Magnetfeld seine Richtung längs des Weges periodisch ändert (zeitlich ist es hingegen konstant), gelenkt. Dadurch schwingen die Elektronen mit einer bestimmten Frequenz, während sie den Undulator passieren, und geben elektromagnetische Strahlung ab. In Vorwärtsrichtung ist diese elektromagnetische Strahlung durch die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls stark blauverschoben. Durch Spiegel, die wie bei anderen Lasern angeordnet sind, können bestimmte Frequenzen konstruktiv interferieren; dadurch kommt es zu größeren Intensitäten bei diesen Frequenzen, was wiederum zur stimulierten Lichtemission der Elektronen führt.

Für Laser mit größeren Wellenlängen gibt es elektronentransparente Spiegel, die aus einem Drahtgitter bestehen, wobei der Drahtabstand wesentlich kleiner ist als die Laserwellenlänge; elektronentransparente Spiegel erleichtern die Führung des Elektronenstrahls, der ja im Undulator parallel zur Laserstrahlung verläuft.

Der Elektronenstrahl, der nach dem Undulator nicht viel Energie verloren hat, wird oft auf eine Anode gelenkt und die Energie geht als Wärme verloren. Die Energie des Elektronenstrahls kann auch zurückgewonnen werden, was die Effizienz des Systems erhöht. Die Laserwellenlänge kann bei freien Elektronenlasern kontinuierlich verändert werden, indem Spiegelabstand und Elektronenenergie verändert werden. Die Effizienz dieses Lasertyps kann relativ hoch sein. Man hofft, in Zukunft freie Elektronenlaser bauen zu können, die elektromagnetische Strahlung im Röntgen- oder sogar Gammabereich emittieren.