Quelltext der Seite Festkörperlaser

Als '''Festkörperlaser''' werden optisch angeregte [[Laser]] bezeichnet, deren verstärkendes (aktives) Medium aus einem [[kristall]]inen oder glasartigen ([[amorph]]en) [[Festkörper]] besteht. In diesem sog. Wirtsmaterial oder Wirtskristall sind in bestimmter Konzentration ([[Dotierung]]) die laseraktiven [[Ion]]en enthalten.

Festkörperlaser werden mit sichtbarem Licht oder [[Infrarotstrahlung]] gepumpt.

== Funktion ==
Der Wirtskristall oder ein Glas ist mit Ionen eines fremden Stoffes dotiert. Diese Fremdionen sind das eigentliche aktive Medium der Festkörperlaser.

Die für das Lasern genutzten [[Energieniveau|Elektronenniveaus]] dieser Ionen liegen innerhalb des [[d-Orbital]]s ([[Titan (Element)|Titan]], [[Chrom]], [[Cobalt]]) bzw. [[f-Orbital]]s ([[Neodym]], [[Erbium]], [[Ytterbium]]). Diese Orbitale sind nicht an chemischen Bindungen beteiligt. Das Trägermaterial (Wirtskristall, Glas) hat daher nur geringen Einfluss auf die Laser-Eigenschaften der Ionen.

Um im aktiven Medium eine Energieaufnahme zu erreichen, müssen [[Elektron]]en auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Dieser Vorgang heißt '''Pumpen'''. Festkörperlaser werden immer [[Optisches Pumpen|optisch, d.&nbsp;h. durch Strahlung, gepumpt]]. Aus der für die Dotierungsionen charakteristischen Energiedifferenz zwischen unterem und oberem Energieniveau ergibt sich die wirksame Pumplichtwellenlänge.

Das durch Pumpen erreichte Energieniveau stimmt nicht mit oberem und unterem Laserniveau überein (man spricht von [[Dreiniveausystem|3-]] oder [[Vierniveausystem|4-Niveau-Lasern]]): Leert sich z.&nbsp;B. das untere Laserniveau sehr schnell durch Gitter-Relaxationen in das untere Energieniveau, lässt sich viel leichter eine zum Lasern erforderliche [[Besetzungsinversion]] erreichen, da ja das untere Laserniveau kaum gefüllt ist.

Ebenso ist es hilfreich, wenn die Elektronen im oberen Laserniveau eine lange Verweildauer haben – deren Energie kann dann mit einer [[Güteschaltung]] schlagartig als Lichtpuls freigesetzt werden.

Die '''Betriebsart''' kann kontinuierlich („{{lang|en|continuous wave}}“, CW) oder gepulst sein. Die Pulsung kann durch das Pumpen (Blitzlampen) oder einen resonatorinternen ({{lang|en|''intra-cavity''}}) optischen Schalter ([[Güteschalter]]) erfolgen. Kombiniert man beides (hohe Pump-Spitzenleistung durch Blitzlampe, danach Freisetzung der im oberen Laserniveau gespeicherten Energie durch Öffnen des Güteschalters), sind während einiger Nanosekunden Spitzenleistungen von einigen Megawatt erreichbar.

Durch Nachverstärkung und Impulsweitung und -kontraktion sind während weniger Femtosekunden Leistungen im Petawattbereich erzielbar. Mit Festkörperlasern lassen sich die höchsten Spitzenleistungen und die kürzesten Impulsdauern aller Laserarten erzeugen.

== Gängige Wirtsmaterialien / Wirtskristalle ==
* [[Al2O3|Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]] ([[Korund]], [[Saphir]]) (z.&nbsp;B. [[Rubin]] (Chrom-Dotierung), [[Titan:Saphir-Laser]])
** Vorteil: hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit
** Nachteil: Dotierung führt üblicherweise zu Pumpwellenlängen, bei denen kein direktes Pumpen mit Laserdioden möglich ist
* Alexandrit
* Fluoride wie YLF, BYF oder KYF
* [[Glas]] (Stabform oder [[Faserlaser]])
** Vorteil: einfache Herstellung auch in großen Dimensionen
** Nachteile (nicht bei Faserlasern!): geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Festigkeit
* Sesquioxide wie Sc<sub>2</sub>O<sub>3</sub> und Lu<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
* YAG ([[Yttrium]]-[[Aluminium]]-[[Granat]]-Laser) Dotierung Nd ([[Nd:YAG-Laser]]), Er, Yb
** Vorteil: hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, geringe Absorption
** Nachteil: teuer
* [[Yttrium-Vanadat]] (YVO<sub>4</sub>), Dotierung Nd
** Einer der effizientesten Laserkristalle, die aktuell verfügbar sind.

== Häufig verwendete Dotierungsmaterialien ==
* [[Chrom]] war das Dotierungsmaterial des ersten Lasers des [[Rubinlaser]] (694,3&nbsp;nm (rot)). Aufgrund der geringen Effizienz wird er heute kaum noch verwendet
* [[Erbium]] Wellenlänge 1,5 oder 3&nbsp;µm, Pumpen bei 980&nbsp;nm, sog. „augensicherer“ Laser, Verwendung für Laser-Entfernungsmesser und in der Medizin
* [[Neodym]], 1064&nbsp;nm, Der wichtigste kommerzielle Festkörperlaser: [[Nd:YAG-Laser]], bei 1064&nbsp;nm (infrarot), beziehungsweise [[Frequenzverdopplung|frequenzverdoppelt]] bei 532&nbsp;nm (grün). Auch möglich sind: Nd:Glas- und Nd:YLF-Laser.
* [[Praseodym]] Ein relativ neues Laserion. Sehr interessant aufgrund mehrerer Übergänge im sichtbaren Spektralbereich (444&nbsp;nm (blau), 480&nbsp;nm (blau), 523&nbsp;nm (grün), 605&nbsp;nm (orange) und 640&nbsp;nm (rot)). Hervorzuheben ist hier der Übergang bei 523&nbsp;nm, womit grüne Laserstrahlung ohne den Umweg über eine Frequenzverdopplung des [[Nd:YAG-Laser]]s erzeugt werden kann
* [[Titan (Element)|Titan]] Ein wichtiger modengekoppelter Festkörperlaser: [[Titan:Saphir-Laser]], 670–1100&nbsp;nm (rot-infrarot), aufgrund breitbandiger Verstärkung für Pulse im fs-Bereich geeignet
* [[Ytterbium]], 1030&nbsp;nm, erlaubt im Laserbetrieb einen hohen Wirkungsgrad über 50 %. Es bedarf dazu allerdings eines schmalbandigen Pumpens mit Laserdioden (940&nbsp;nm). Das wichtigste Material mit dieser Dotierung ist der [[Yb:YAG-Laser]], z.&nbsp;B. hochdotiert als Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030&nbsp;nm.

== Formen des aktiven Mediums ==
* [[Faserlaser]]
* [[Mikrokristalllaser]]
* [[Scheibenlaser]]
* [[Stablaser]]
* [[Slablaser]]

== Pumpanordnungen ==
=== Überblick ===
[[Datei:laserl2.jpg|mini|hochkant=2|Pumplampe eines Festkörperlasers, [[Krypton]]-Füllung, wassergekühlt, ca. 2&nbsp;kW]] Das Pumpen erfolgt z.&nbsp;B. durch das Beleuchten des Lasermediums (Laserstab) mit intensiven [[Lichtquelle]]n wie [[Gasentladungslampe]]n (Bogenlampen oder [[Blitzröhre|Blitzlampen]]).
Die gepulste Laseremission – bei den mit Blitzlampen gepumpten Festkörperlasern- zeigt oft eine stark unregelmäßige Struktur. Die statistischen Peaks der ausgesendeten Laserintensität werden [[Spiking (Effekt)|Spikes]] genannt und sind auf das Fallen (bei Emission) und Steigen der Elektronendichte im gehobenen Energieniveau zurückzuführen.

Die verwendeten Gasentladungslampen müssen einen möglichst hohen Spektralanteil bei der Pump-Wellenlänge (im Allgemeinen im nahen Infrarot [[Infrarotstrahlung|NIR]]) besitzen. Es sind Krypton- oder Xenon-Bogenlampen mit Wolfram-Elektroden, die einzeln oder zu zweit parallel zum Stab angeordnet sind.

Laserstab und Lampen sind meist wassergekühlt (deionisiertes Wasser umspült Lampen und Stab).

Der Laserstab muss möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet sein. Das erreicht wird mit Innenreflektoren aus einer Goldschicht oder Halbschalen aus einer diffus reflektierenden weißen Keramik erreicht.

Der Laserstab muss vor harter Ultraviolettstrahlung der Lampen geschützt werden – dazu dient ein Schutzglasrohr.

=== Pumpen mit Diodenlasern ===
Seitdem [[Halbleiterlaser]] ausreichender Leistung verfügbar sind, werden Festkörperlaser häufig mit [[Laserdiode]]n geeigneter Wellenlänge optisch gepumpt.
Dadurch sind ganz neuartige Festkörperlaser realisierbar geworden ([[Faserlaser]] und [[Scheibenlaser]]), jedoch ergeben sich auch Vorteile bei konventionellen Festkörperlasern durch das Pumpen mit Laserdioden.

Vorteile
* Laserdioden haben sehr hohe Wirkungsgrade und sie können exakt auf der Pumpwellenlänge arbeiten – dadurch steigt die Gesamteffizienz der Festkörperlaser von 1–3 % (lampengepumpt) auf 10–25 % (diodengepumpt).
* aufgrund der höheren Pumpeffizienz verringert sich die Erwärmung des Laserstabes, es entstehen weniger mechanische Spannungen, daher ist die Zerstörschwelle höher und mit der gleichen Stabgröße lassen sich höhere Leistungen erzeugen.
* die geringere Erwärmung des Stabes verringert die durch inhomogene Temperaturverteilung in ihm hervorgerufene Linsenwirkung – die Strahlqualität und -stabilität steigt wesentlich.
* Laserdioden haben eine höhere Lebensdauer (>10.000&nbsp;h) als Bogenlampen (einige 100&nbsp;h), daher verlängern sich die Wartungszyklen.
* Mit Laserdioden lassen sich einige Festkörperlaser auch im Dauerstrich-Betrieb (cw) betreiben. Mit Blitzlampen ist nur gepulster Betrieb möglich.

Nachteile
* Laserdioden sind sehr viel teurer als Bogenlampen, daher sind die [[Investition]]en höher.
* Laserdioden weisen eine Degradation, verbunden mit einer Abnahme ihrer Effizienz auf 80 % des Anfangswertes nach etwa 10…20.000&nbsp;h Betriebsdauer auf und müssen dann ersetzt werden.
* Laserdioden gehen im Gegensatz zu Blitzlampen relativ plötzlich kaputt, sodass oft zusätzlich Ersatzdioden verbaut werden, die bis zur nächsten Wartung der Geräte einspringen können.
* Laserdioden sind sehr viel empfindlicher als Blitzlampen und schwerer zu kühlen.

=== Pumpen von Faser- und Scheibenlasern ===
Bei Faser- und Scheibenlasern entfällt das Problem der thermischen Einflüsse auf die optischen Eigenschaften – mit ihnen lassen sich daher hohe Leistungen bei guter Strahlqualität erzeugen. Jedoch muss die Pumpstrahlung auf kleine Flächen konzentriert werden, weshalb das Pumpen nur mit Diodenlasern möglich ist.

Bei [[Scheibenlaser]]n durchläuft die Pumpstrahlung die Scheibe mehrfach, indem sie mit einem Prismenreflektor mehrfach zurück auf die Scheibe gelenkt wird, um möglichst vollständig absorbiert zu werden.

Beim [[Faserlaser]] gelangt die fokussierte Pumpstrahlung durch die Endfläche der Faser in diese hinein (endgepumpt) oder eine Umhüllung ({{lang|en|cladding}}) der Faser führt die Pumpstrahlung entlang dem aktiven (dotierten) Faserkern. Auch die umgekehrte Anordnung (Pumpstrahlung im Kern) ist möglich.

== Resonator ==
Ein [[Laserresonator|Resonator]] ist (außer beim Faserlaser) erforderlich und besteht wie bei anderen Lasern aus einem 100-%-Spiegel (Endspiegel) und einem teildurchlässigen Spiegel (Auskoppelspiegel). Es sind für die Laserwellenlänge geeignete dielektrische Interferenz-Spiegel einzusetzen, da Metallspiegel die Strahlintensität nicht überstehen bzw. zu große Verluste aufweisen.

Innerhalb der Spiegel befindet sich der an seinen Endflächen entspiegelte Kristallstab sowie ggf. weitere optische Bauteile, z.&nbsp;B. Kristalle zur Frequenzverdopplung/-vervielfachung oder zur [[Güteschaltung]].

== Anwendungen ==
Festkörperlaser sind die neben dem [[Kohlendioxidlaser]] am häufigsten in der Industrie zur Materialbearbeitung eingesetzten Laser.<br />
Typische Anwendungen sind:
* Schneiden (insbesondere dünnere Materialien und Präzisionsbearbeitung, kontinuierlich oder gepulster Betrieb)
* Bohren (gepulste Laser)
* Gravieren (gepulst, gütegeschaltet, Ablenkung mit Scannern)
* Schweißen (Punktschweißungen mit blitzlampengepumpten Lasern, Nahtschweißen im CW-Betrieb)
* Löten (cw-Löten, Pulslöten)
* Reinigen
* Härten

Weitere vielfältige Anwendungen gibt es im wissenschaftlichen Bereich. Die Laser mit den kürzesten Pulslängen und den höchsten Spitzenleistungen sind Festkörperlaser.

== Geschichte ==
Der erste je gebaute Laser, entwickelt von [[Theodore Maiman|Maiman]] im Jahre 1960, war ein Festkörperlaser – ein lampengepumpter [[Rubinlaser]]. Lampengepumpte [[Nd:YAG-Laser]] für kontinuierlichen und gepulsten Betrieb sowie Nd:Glas-Laser für sehr hohe Pulsenergien bildeten lange Jahre die wesentlichsten Vertreter von Festkörperlasern in Industrie und Forschung. Seit etwa 1995 erobern durch die Möglichkeit des Pumpens mit Laserdioden eine Vielzahl neuartiger Festkörperlaser und aktiver Materialien zahlreiche neue Anwendungen in Forschung und Industrie.

Herausragende Ergebnisse sind Kurzpulslaser bis in den Sub-Pico-Sekunden-Bereich, miniaturisierte frequenzverdoppelte Festkörperlaser (z.&nbsp;B. grüne Laserpointer) und die extrem gute Fokussierbarkeit von Scheiben- und Faserlasern, die hohe Arbeitsabstände (z.&nbsp;B. in 1 Meter Abstand Metall schweißen) bzw. gute Schnittleistungen ermöglichen.

Festkörperlaser lösen durch ihre gestiegene Effizienz, Strahlqualität und Leistung vielfach die industriellen [[Kohlendioxidlaser|CO<sub>2</sub>-Laser]] mittlerer Leistung ab, da auf diese Weise z.&nbsp;B. die Strahlübertragung mit [[Lichtwellenleiter]]n möglich ist und die Absorption auf Metallen besser ist.

== Literatur ==
* [[Walter Koechner]]: ''Solid State Laser Engineering''. 6. Auflage, [[Axel Springer SE|Springer]], 2006 (1. Auflage 1976).
* Walter Koechner, [[Michael Bass (Physiker)|Michael Bass]]: ''Solid State Lasers: a graduate text.'' Springer, 2003.

== Weblinks ==
* [http://www.lasercomponents.com/de/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/applikationsreport/laserstaebe.pdf Vergleich verschiedener Kristall-Materialien] (PDF-Datei; 88 kB)

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{{SORTIERUNG:Festkorperlaser}}
[[Kategorie:Laserstrahlquelle]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]