Quelltext der Seite Rubinlaser

[[Datei:Ruby laser.jpg|mini|Aufbau des ersten Rubinlasers]]
[[Datei:Ruby laser rod and view through.JPG|mini|hochkant|Beide Endflächen des 10&nbsp;mm × 150&nbsp;mm großen Rubinkristalls sind so glatt poliert, dass man verzerrungsfrei hindurchsehen kann]]

Der '''Rubinlaser''' wurde 1960 von [[Theodore Maiman]] auf Grundlage des [[Rubinmaser]]s als erster [[Laser]] überhaupt entwickelt. Er zählt zu den [[Festkörperlaser]]n (''solid state laser''). Die wichtigste Emissionslinie liegt bei 694,3&nbsp;nm (entspricht einer Frequenz von 432,1&nbsp;THz).

== Aufbau ==

Das aktive Medium besteht aus [[Rubin]] ([[Chromaluminiumoxide|Chromaluminiumoxid]]), das heißt aus einem einkristallinen Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Wirtskristall ([[Saphir]]/[[Korund]]), dotiert mit [[Chrom]][[Ion|ionen]]. Da der optimale [[Dotierung]]sgrad bei etwa 0,03–0,05 % liegt, kommen nur speziell hergestellte Rubine in Frage (bei natürlichen Rubinen ist der Chromanteil höher). Die Rubine werden in Stabform hergestellt und die Enden sehr glatt poliert. Die [[Rauheit]] muss dabei unterhalb der halben Laserwellenlänge liegen, was aufgrund der außerordentlichen [[Härte]] von Rubinen eine große Herausforderung darstellt.

Früher wurden durch Aufdampfen einer Silberschicht auf die Enden des Stabes die Spiegel direkt auf dem Kristall gebildet. Heute werden die Enden meist mit einer [[Antireflexbeschichtung]] versehen, und die Spiegel werden extern angebracht.

Gepumpt wird der Kristall optisch mittels [[Xenon]]-[[Blitzröhre|Blitzlampen]], da deren Licht besonders gut absorbiert wird. In sehr seltenen Fällen findet auch kontinuierliches Pumpen statt, zum Beispiel mittels [[Quecksilberdampflampe]]n. In den ersten Aufbauten wurde eine schraubenförmige Blitz-Lampe verwendet, in deren Zentrum der Rubinstab lag; in modernen Lasern wird zur effektiveren Anregung meist das Licht einer oder mehrerer ebenfalls stabförmigen Lampen durch einen elliptischen Spiegel auf den Laserkristall fokussiert.

== Funktionsweise ==
[[Datei:Ruby transmittance.svg |mini| Transmission von Rubin im optischen Bereich. Das schmale Absorptionsband bei 694 nm ist die Wellenlänge des Rubinlasers.]]
[[Datei:Rubinlaser termschema.png |mini| Vereinfachtes [[Termschema]] von Rubin mit den im Rubinlaser relevanten Übergängen]]

Der Rubinlaser ist ein Drei-Niveau-Laser. Durch das optische Pumpen wird ein Großteil der [[Elektron]]en der Chromionen auf eines der [[Energieband|Energiebänder]] <sup>4</sup>F<sub>1</sub> oder <sup>4</sup>F<sub>2</sub> angehoben. Ein geringer Teil davon relaxiert sofort wieder durch spontane [[Fluoreszenz]]emission in den Grundzustand <sup>4</sup>A<sub>2</sub> zurück.

Der überwiegende Teil jedoch geht in einem strahlungslosen Übergang in das [[Angeregter Zustand|metastabil]]e Laserniveau <sup>2</sup>E über. Dort verbleiben sie relativ lange. So kann es zur [[Besetzungsinversion]] kommen, indem sich mehr Elektronen auf dem Niveau <sup>2</sup>E als im Grundzustand <sup>4</sup>A<sub>2</sub> aufhalten. Aus dem Niveau <sup>2</sup>E relaxieren die Elektronen von sich aus sehr langsam (im Bereich von etwa 3 Millisekunden) unter spontaner Emission von [[Photon]]en der [[Wellenlänge]] 694,3&nbsp;nm. Diese wenigen Photonen können jetzt allerdings im angeregten Medium [[stimulierte Emission]] hervorrufen, wodurch die [[Kohärenz (Physik)|kohärente]] Laserstrahlung entsteht und die angeregten Elektronen in den [[Grundzustand]] übergehen.

Aufgrund der hohen Ligandenfeldaufspaltung kann das oberhalb des <sup>2</sup>E-Niveaus liegende  <sup>2</sup>T-Niveau thermisch besetzt werden.<ref>{{Literatur |Autor=Lutz H. Gade |Titel=Koordinationschemie: GADE:KOORDINATIONS-CHEMIE O-BK |Verlag=Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA |Ort=Weinheim, Germany |Datum=1998-10-15 |ISBN=9783527663927 |DOI=10.1002/9783527663927 |Online=http://doi.wiley.com/10.1002/9783527663927 |Abruf=2019-06-30}}</ref> Dies führt theoretisch zu einer Doppellinie, die allerdings nicht beobachtet wird. Die Emission aus beiden Niveaus tritt dagegen im Bis(N,N′‐Dimethyl‐N,N′‐dipyridin‐2‐ylpyridin‐2,6‐diamino)chrom(III) auf.<ref>{{Literatur |Autor=Sven Otto, Markus Grabolle, Christoph Förster, Christoph Kreitner, Ute Resch-Genger |Titel=[Cr(ddpd) 2 ] 3+ : ein molekulares, wasserlösliches, hoch NIR-lumineszentes Rubin-Analogon |Sammelwerk=Angewandte Chemie |Band=127 |Nummer=39 |Datum=2015-09-21 |DOI=10.1002/ange.201504894 |Seiten=11735–11739 |Online=http://doi.wiley.com/10.1002/ange.201504894 |Abruf=2019-06-30}}</ref>

Während die meisten Laser sich sowohl im Puls- als auch im cw-Betrieb (''continuous wave'') betreiben lassen, ist der Rubinlaser fast ausschließlich in der gepulsten Version anzutreffen, da hier seine Effizienz mit Abstand am höchsten ist. Um ihn kontinuierlich zu betreiben, muss man die Leistung sehr gering halten, da sich die Rubine durch das Pumpen sehr stark aufheizen können und sich die Wärme nur schlecht abführen lässt.

== Anwendung ==
Der Rubinlaser hat heute größtenteils an Bedeutung verloren, da seine Effizienz vergleichsweise gering und die Wellenlänge mittels anderer Laser zugänglich ist.

In der [[Dermatologie]] wird er noch aufgrund der hohen Pulsenergie und guten Absorption der Laserwellenlänge durch [[Melanine|Melanin]] zur Behandlung von Pigmentflecken und zum Entfernen von Tätowierungen eingesetzt.

== Literatur und Weblinks ==
* L. Bergmann, C. Schaefer ''Lehrbuch der Experimentalphysik Band 3: Optik'' Walter de Gruyter Berlin, 10. Aufl. 2004, ISBN 3-11-017081-7
* [http://www.llnl.gov/nif/library/aboutlasers/how.html How a Laser Works] (englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Laserstrahlquelle]]