Lasertypen und -betrieb

Laser werden nach ihrem Verstärkungsmedium und ihrer Pumpmethode klassifiziert und im kontinuierlichen oder gepulsten Betrieb durch Güteschaltung (Q-Switching) und Modenkopplung (Mode-Locking) betrieben.

Definition

Die Kategorisierung von Lasern nach Verstärkungsmedium und Anregungsmechanismus sowie die Betriebsarten, kontinuierliche Welle oder gepulst, durch die ihre Ausgangsleistung und zeitliche Struktur gesteuert werden.

Scope

Dieses Thema gibt einen Überblick über die wichtigsten Laserklassen und deren Betriebsweise. Es umfasst Gaslaser wie Helium-Neon- und Kohlendioxidlaser, Festkörperlaser wie Rubin-, Neodym- und Titan-Saphir-Laser, Halbleiterdiodenlaser, Farbstoff- und Faserlaser sowie deren charakteristische Wellenlängen und Pumpmethoden. Es behandelt auch die Betriebsmodi: kontinuierliche Wellenausgabe und die Erzeugung kurzer und ultrakurzer Pulse durch Güteschaltung und Modenkopplung, zusammen mit den resultierenden Spitzenleistungen und Pulsdauern. Es verbindet die zugrunde liegende Verstärkungsphysik mit den vielfältigen praktischen Geräten.

Core questions

• Welche Verstärkungsmedien werden in Lasern verwendet und welche Wellenlängen erzeugen sie?
• Wie werden verschiedene Laser gepumpt, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen?
• Wie erzeugen Güteschaltung und Modenkopplung kurze Pulse?
• Welche Kompromisse unterscheiden den kontinuierlichen Wellenbetrieb vom gepulsten Betrieb?

Key concepts

• Gaslaser
• Festkörperlaser
• Halbleiterdiodenlaser
• Faserlaser
• kontinuierlicher Wellenbetrieb
• Güteschaltung
• Modenkopplung
• ultrakurze Pulse

Key theories

Klassifizierung nach Verstärkungsmedium

Laser werden in Gas-, Festkörper-, Halbleiter-, Farbstoff- und Faserlaser eingeteilt; das Verstärkungsmedium bestimmt die verfügbaren Wellenlängen, die Effizienz und die Leistung und diktiert geeignete Pumpmethoden durch Licht, elektrischen Strom oder Entladung.

Gepulster Betrieb durch Güteschaltung und Modenkopplung

Die Güteschaltung verschlechtert und stellt dann plötzlich den Gütefaktor des Resonators wieder her, um gespeicherte Energie als intensiven Nanosekundenpuls freizusetzen, während die Modenkopplung viele longitudinale Moden phasenstarr miteinander koppelt, um eine Folge von Pikosekunden- oder Femtosekundenpulsen zu erzeugen.

Clinical relevance

Verschiedene Lasertypen eignen sich für unterschiedliche medizinische Anwendungen: Kohlendioxidlaser für das Schneiden von Weichgewebe, Neodym- und Erbiumlaser für ophthalmologische und dermatologische Verfahren, Excimerlaser für die Hornhautumformung und Diodenlaser für die Photokoagulation, wobei der gepulste Betrieb eine präzise, gewebeschonende Interaktion ermöglicht.

History

Maiman baute 1960 den ersten Laser, ein gepulstes Rubin-Gerät; Javan und Kollegen demonstrierten kurz darauf den kontinuierlichen Helium-Neon-Gaslaser, und Halls Gruppe produzierte 1962 den ersten Halbleiterdiodenlaser. In den folgenden Jahrzehnten kamen Kohlendioxid-, Farbstoff-, Faser- und Titan-Saphir-Laser sowie die Techniken der Güteschaltung und Modenkopplung hinzu.

Key figures

• Theodore H. Maiman
• Ali Javan
• Robert N. Hall

Seminal works

• svelto2010
• salehteich2019

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem kontinuierlichen Wellenlaser und einem gepulsten Laser?

Ein kontinuierlicher Wellenlaser emittiert einen stetigen Strahl konstanter Leistung, während ein gepulster Laser seine Energie in kurzen Bursts konzentriert und dabei eine viel höhere Spitzenleistung als seine Durchschnittsleistung für Anwendungen erzielt, die intensive, kurze Expositionen erfordern.

Wie werden ultrakurze Femtosekundenpulse erzeugt?

Die Modenkopplung zwingt viele der longitudinalen Moden des Lasers, mit einer festen Phasenbeziehung zu schwingen, sodass sie sich überlagern, um einen extrem kurzen Puls zu bilden, der im Resonator zirkuliert und als regelmäßige Folge emittiert wird.