Gebräuchliche Lasertypen im Vergleich

Dies ist der Abschnitt 3.1 des Leitfadens für Laseroptiken.

Laser werden oftmals anhand des verwendeten Mediums für die Lichtverstärkung klassifiziert. Gebräuchliche Verstärkungsmedien sind Gas, Halbleiter (Diodenlaser) und Festkörper. Die Schlüsselparameter eines Lasersystems können in unserem Anwendungshinweis Wesentliche Parameter eines Lasersystems nachgelesen werden.

Überblick über übliche Industrielaser

Abbildung 1 zeigt 23 der üblichsten Laser und ihre Wellenlängen, Betriebsarten und typischen Verstärkungsmedien.

Abbildung 1: Übliche Laser und ihre Betriebsarten und typischen Verstärkungsmedien, CW steht für kontinuierlicher Betrieb. ^2,3

Gaslaser, z. B. Helium-Neon-Laser (HeNe), werden aufgrund ihrer hohen Strahlqualität und großen Kohärenzlänge oftmals für messtechnische Anwendungen eingesetzt. Andere Gaslaser, z. B. Kohlenstoffdioxidlaser (CO₂), werden häufig für die Materialbearbeitung verwendet, weil sie besonders hohe durchschnittliche Leistungen erreichen können.

Diodenlaser verfügen über einen p-n-Halbleiterübergang als Verstärkungsmedium. Sie weisen in der Regel das beste Verhältnis zwischen energetischer Leistung und Kosten auf und zeichnen sich durch eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz, einen hohen Quantenwirkungsgrad und einen großen Bereich verfügbarer Wellenlängen aus. Diodenlaser werden in vielen Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Telekommunikation und Materialbearbeitung, in Strichcodelesern, medizinischen Lasern und LiDAR-Systemen.

Festkörperlaser nutzen Kristalle oder Glasmaterialien, die mit Übergangsmetall- oder Seltene-Erde-Ionen dotiert sind. Sie werden oftmals in Hochleistungsanwendungen eingesetzt, z. B. in der Materialbearbeitung und als medizinischer Laser, da sie die höchsten Spitzenleistungen aller handelsüblichen Laser erreichen können.³ Allerdings ist die Kühlung von Festkörperverstärkungsmedien schwierig, sodass die Wiederholungsrate und die durchschnittliche (energetische) Leistung begrenzt sind.

Zwei spezielle Festkörperlaser sind Quantenkaskadenlaser (QCLs) und Interbandkaskadenlaser (ICLs). QCLs sind abstimmbare Halbleiterlaser im mittleren IR-Bereich, die durch Intersubband-Übergänge in abwechselnden Schichten aus dünnen Halbleiterschichten (Quantentöpfe) funktionieren. Bei Intersubband-Übergängen handelt es sich um Anregungen zwischen quantisierten Energiezuständen innerhalb des Leitungsbandes (Abbildung 2). Aufgrund der extrem geringen Größe der Quantentöpfe treten Quanteneffekte auf und die Emissionswellenlänge verschiebt sich in Abhängigkeit von der Topfdicke. QCLs können durch die Kombination von Quanten- und Kaskadeneffekten hohe Leistungen bei langen Wellenlängen erzeugen. Die meisten kommerziell erhältlichen QCLs haben Wellenlängen zwischen 4 und 11 µm, es gibt aber auch einige QCLs bei denen die Wellenlängen zwischen 2,63 - 150 µm liegen können.^4,5,6

ICLs haben ähnliche Halbleiterschichten und Quantentöpfe wie QCLs für Laserstrahlung im mittleren IR-Bereich, hier werden die Photonen aber durch Interband- und nicht Intersubband-Übergänge erzeugt (Abbildung 2). ICLs können bei geringerer Eingangsleistung als QCLs betrieben werden.

Abbildung 2: Vergleich von Interband- (a) und Intersubband-Übergängen (b) bei einem Kaskadenlaser.

Faserlaser sind ein spezieller Typ von Festkörperlasern, bei dem mit Seltene-Erde-Ionen dotierte optische Fasern als Verstärkungsmedium verwendet werden. Sie eignen sich optimal für die Erzeugung sehr feiner Strukturen in der Hochpräzisionsbearbeitung und für medizinische Anwendungen, da sie eine hohe mittlere (energetische) Leistung in einer einzigen optischen Mode mit hoher Strahlqualität aufweisen.

Scheibenlaser sind ein weiterer spezieller Typ von Festkörperlasern, bei dem eine sehr dünne Scheibe eines Festkörpermaterials als Verstärkungsmedium verwendet wird. Sie stellen einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Faserlasern und anderen Festkörperlasern dar, da sie eine hohe Spitzenleistung sowie Verstärkung erreichen und gleichzeitig eine Geometrie aufweisen, die die Kühlung erleichtert, sodass Wiederholungsrate und mittlere Leistung verbessert werden. Der erforderliche Systemaufbau ist allerdings relativ komplex, sodass sie kostspieliger sind als andere Lasertypen.

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Literatur

Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, Oktober 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
Lasers and Their Uses Reference Wall Chart. Photonics Media, 2010
Weber, Marvin J. Handbook of laser wavelengths. CRC Press, 1999. ISBN 978-0-8495-3508-2.
Cathabard, O., Teissier, R., Devenson, J., Moreno, J.C. und Baranov, A.N., 2010. Quantum cascade lasers emitting near 2.6 μ m. Applied Physics Letters, 96(14), p.141110.
Walther, C., Fischer, M., Scalari, G., Terazzi, R., Hoyler, N. und Faist, J., 2007. Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz. Applied Physics Letters, 91(13), p.131122.
Wade, A., Fedorov, G., Smirnov, D., Kumar, S., Williams, B.S., Hu, Q. und Reno, J.L., 2009. Magnetic-field-assisted terahertz quantum cascade laser operating up to 225 K. Nature Photonics, 3(1), pp.41-45.

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