Festkörperlaser

Zusammenfassung

Das aktive Medium der meisten Festkörperlaser besteht aus Kristall- oder Glasstäben von einigen cm Länge oder aus Fasern und Scheibchen, die mit optisch wirksamen Ionen dotiert sind. Dazu werden sogenannte Übergangsmetalle wie Ti, Cr, Co oder seltene Erden wie Nd, Ho, Er, Tm oder Yb verwendet. Die Laserstrahlung entsteht teilweise in inneren ungefüllten Schalen, die durch äußere Schalen weitgehend vom Kristallfeld abgeschirmt sind. Die Übergänge sind dann wie bei freien Atomen schmalbandig, und sie liegen im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich. Daneben existieren auch breitbandige Niveaus, welche zu abstimmbaren Lasern führen.

Bei der Dotierung wird ein Teil (etwa $10^{-4}$ bis $10^{-1}$) der Atome des Wirtsmaterials durch Fremdatome ersetzt. Demnach liegt die Dichte der laseraktiven Teilchen bei etwa $10^{19}\,\mathrm{cm}^{-3}$, was wesentlich größer als die Dichte in Gaslasern (10¹⁵ bis $10^{17}\,\mathrm{cm}^{-3}$) ist. Die Anregung erfolgt durch so genanntes optisches Pumpen mit Lampen, Halbleiterlaserdioden oder anderen Lasern. Da die Lebensdauer der oberen Laserniveaus oft lang ist, lassen sich große elektronische Energiemengen in Festkörpern speichern und hohe optische Pulsenergien und -leistungen mit kurzen Pulsdauern extrahieren. Das Wirtsmaterial des Festkörperlasers – Kristall oder Glas – muss gute optische, mechanische und thermische Eigenschaften besitzen, z. B. Schlierenfreiheit, Bruchfestigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Als Kristalle werden Oxide und Fluoride, als Gläser Silikate und Phosphate eingesetzt.