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2025-02-11T20:29:26Z

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[[Datei:Titanium sapphire oscillator.jpg|mini|Teil eines Titan:Saphir-Lasers. Der Titan:Saphir-Kristall ist das hellrot leuchtende Objekt in der linken Bildhälfte. Das grüne Licht ist vom Pumplaser]]

Der '''Titan:Saphir-Laser''', auch '''Ti3+:[[Aluminium|Al]]2[[Sauerstoff|O]]3-Laser''' oder '''Ti:Saphir-Laser''' oder kurz ''Ti:Sa-Laser'', ist ein [[Festkörperlaser]], der als optisch aktives Medium die [[Fluoreszenz]] von [[Titan (Element)|Titan]]-Ionen benutzt, die als Dotierung in einem [[Korund]] (Al2O3)-Kristall vorliegen (siehe auch [[Titan:Saphir]]).

1982 zum ersten Mal von [[Peter Moulton]] beschrieben<ref>{{Literatur |Autor=P. F. Moulton |Titel=Ti-doped Sapphire: Tunable Solid-state Laser |Sammelwerk=Optics News |Band=Vol. 8 |Nummer=6 |Datum=1982 |Seiten=9-13}}</ref> und 1986 technologisch eingeführt<ref>{{Literatur |Autor=P. F. Moulton |Titel=Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3 |Sammelwerk=J. Opt. Soc. Am. B |Band=Vol. 3 |Nummer=1 |Datum=1986 |Seiten=125 ff.}}</ref> ersetzte er sehr schnell die [[Farbstofflaser]]. Er dominiert heute die Bereiche für ''durchstimmbare Laser'' und die Generierung [[Ultrakurzpulslaser|ultrakurzer Laserpulse]].

Obwohl es auch Titan:Saphir-Laser gibt, die im [[Continuous wave|Dauerstrichbetrieb]] arbeiten, liegt seine Bedeutung in der Bauweise als [[Femtosekundenlaser]]. Durch eine optische Eigenschaft des Saphirkristalls beginnt der Ti:Sa bei leicht zu realisierenden Anforderungen an Fluoreszenzleistung und [[Laserresonator]] selbständig Lichtpulse mit einer Dauer von etwa 100 fs zu generieren. Der relativ einfache Aufbau, leichte Justage und günstige Preis machen den Titan:Saphir-Laser zum mit Abstand verbreitetsten Femtosekundenlaser mit weitem Einsatzgebiet in der Grundlagenforschung und in Anwendungen wie der Lasermedizin.

== Eigenschaften ==
Der Ti:Sa-Laser ist ein durchstimmbarer Laser, dabei ist die [[Wellenlänge]] über einen weiten Bereich einstellbar. Dies ist möglich, weil es im Ti:Sa-Kristall mehrere mögliche Laserübergänge gibt, hier handelt es sich um unterschiedliche [[Phase (Schwingung)|Schwingungszustände]] der [[Atom]]e.
Der Ti:Sa-Kristall zeigt eine sehr breite [[Fluoreszenz]]bande von 670–1070 nm bei einem Maximum der [[Intensität (Physik)|Intensität]] um 800 nm. Durch ein [[Dispersion (Physik)|dispersives]] Element im Resonator wird davon eine Wellenlänge ausgewählt und verstärkt.

Der Absorptionsbereich des Kristalls liegt bei etwa 370–670 nm, mit einem Maximum bei etwa 500 nm. Dazu werden die
Titan:Saphir-Laser von einem zweiten Laser optisch gepumpt. Meist wird ein grüner Dauerstrichlaser, in der Regel ein frequenzverdoppelter [[Nd:YAG-Laser]] (532 nm), seltener ein grüner [[Argon-Ionen-Laser|Ar+-Laser]] (514,5 nm) oder ein [[Nd:YVO4-Laser|Nd:YVO4-Laser]] (527–532 nm) eingesetzt. Bei einer Pumpleistung von 5 bis 10 W wird beim Ti:Sa-Laser eine Lichtleistung von 500 mW erzielt.

Bei [[Modenkopplung|modengekoppelten]] Ti:Sa-Lasern liegt die typische Pulsdauer zwischen 100 und 200 fs. Mit aufwendigen Resonatoren lassen sich Pulsdauern bis herunter zu 4 fs erzielen. Dies entspricht weniger als drei Schwingperioden der Lichtwelle. Typische Pulswiederholraten liegen bei 80–100 MHz mit Pulsenergien im Nanojoule-Bereich.

Bei dem Laser ''[[Hercules (Laser)|Hercules]]'' des {{lang|en|''Center for Ultrafast Optical Science''}} (CUOS) der [[University of Michigan]], einem der leistungsstärksten Laser der Welt, hat der Laserpuls eine Dauer von etwa 30 fs.

== Modenkopplung ==
[[Datei:TiSa-scheme.png|mini|Prinzip der Kerr-Linsen Modenkopplung mittels fester Blende im Titan:Saphir-Laser.]]

Typischerweise wird für den Pulsbetrieb in Titan:Saphir-Lasern das Prinzip der sogenannten [[Modenkopplung]] eingesetzt. Bei einem normalen Laser entsteht zwischen den beiden Endspiegeln des Resonators eine stehende Welle, so dass man einen kontinuierlichen Laserstrahl erhält (cw-Laser). Bei modengekoppelten Lasern hingegen läuft ein Lichtpuls zwischen den Endspiegeln hin und her.

Beim Ti:Sa ist die Modenkopplung über den elektrooptischen [[Kerr-Effekt]] realisiert. Bei hohen Intensitäten macht sich die Abhängigkeit des Brechungsindex von der elektrischen Feldstärke bemerkbar, es bildet sich eine [[Kerr-Linse]] aus, was zu einer Selbstfokussierung des Laserstrahls im Laserkristall führt. Gepulstes Licht, das eine hohe Leistung hat (im Bild hellrot), wird stärker fokussiert als cw-Licht (im Bild dunkelrot). Eine einfache Lochblende im Resonator ermöglicht so eine Unterdrückung des kontinuierlichen Betriebes, da der unfokussierte cw-Strahl stärkere Verluste erfahren würde als der durch den Kerr-Effekt fokussierte. Der gepulste Zustand wird also energetisch begünstigt und somit stabilisiert. Beim beschriebenen Verfahren wird auch eine ''hard aperture'' verwendet. Möchte man im [[Strahlengang]] keine Lochblende platzieren, so lässt sich auch eine ''soft aperture'' realisieren, hierbei wird durch den Strahldurchmesser des Pumplasers bevorzugt der mittlere Bereich des Ti:Sa Strahls und damit der stärker fokussierte Puls gepumpt.

== Anwendungen ==
Seine enorme Bandbreite macht den Laser sehr interessant für die zeitaufgelöste [[Spektroskopie]], zum Beispiel bei der [[Analyse]] [[Chemische Reaktion|chemischer Reaktionen]] oder biologischer Vorgänge mit Hilfe von ''[[Zwei-Photonen-Absorption|Zwei-Photonen]]-[[Multiphotonenmikroskop|Mikroskopie]]''. Eine Weiterentwicklung findet seinen Einsatz in der THz-Spektroskopie. Daneben wird er, wie schon beschrieben, als Kurzpulslaser eingesetzt, um selbst als Pumplaser für größere [[Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments|Lasersysteme]] zu dienen. In der [[Halbleiter]]industrie wird er zur [[Qualitätssicherung]] in der [[Schichtdickenmessung]] verwendet. Verstärkte Ti:Sa-Laser werden zunehmend in der Materialbearbeitung angewandt, da durch die schnelle [[Absorption (Physik)|Absorption]] Material abgetragen werden kann, ehe [[Wärme]] in das umliegende [[Werkstück]] eindringt. Auch in der Medizintechnik (z. B. bei Korrekturen von [[Fehlsichtigkeit]]en) finden diese Laser zunehmend Verwendung.<ref>{{Literatur |Autor=H. Frowein |Titel=Titan-Saphir Laser - Grundlagen und Anwendungen des wichtigsten Kurzpulslasersystems |Sammelwerk=Optik & Photonik |Nummer=1 |Datum=2007-03 |Seiten=48-53}}</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Weblinks ==
* {{elpt|titanium_sapphire_lasers|Titanium–Sapphire Lasers}}

{{SORTIERUNG:Titan Saphir Laser}}
[[Kategorie:Laserstrahlquelle]]
[[Kategorie:Quantenphysik]]
[[Kategorie:Titan]]

Titan:Saphir-Laser - Versionsgeschichte

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