Absorption in Laseroptiken

Es gibt mehrere verschiedene Methoden, wie Laserstrahlen in einem optischen Substrat absorbiert werden. Elektronen in unterschiedlichen Energiestufen der Atome, aus denen das optische Medium besteht, absorbieren Strahlungsphotonen und werden auf semistabile, höhere Energiestufen angehoben. Diese Atome fluoreszieren dann und emittieren durch spontane Emission Strahlung (Photonen), wenn Elektronen auf eine niedrigere Energiestufe zurückfallen. Ungewollte Fluoreszenz führt zu Energieverlusten und Interferenzen bei der Signalerkennung, was in Laseroptikanwendungen nachteilig sein kann. Die Fluoreszenz ist oftmals fast isotrop und strahlt in alle Richtungen, was diese Nachteile noch verstärkt. Die Fluoreszenz wird normalerweise durch Verunreinigungen im Substrat verursacht, z. B. Seltene-Erde-Ionen.

UV-Quarzglas zeichnet sich beispielsweise durch einen hohen Transmissionsgrad im UV- und sichtbaren Spektrum aus, weist aber bei 1,4 µm, 2,2 µm und 2,7 µm aufgrund der Absorption durch Verunreinigungen durch Hydroxidionen (OH-) Einbrüche beim Transmissionsgrad auf. Demgegenüber enthält IR-Quarzglas weniger Hydroxidionen, sodass die Transmission im NIR-Spektrum höher ist (Abbildung 1). Weitere Informationen finden Sie in unserem Anwendungshinweis Vergleich von UV- und IR-Quarzglas.

Abbildung 1: Transmissionsdaten für UV- und IR-Quarzglas für eine 5 mm dicke Materialprobe ohne Fresnel-Reflektionen.¹

Optische Medien können Strahlung auch in der Form von thermischer Energie oder Wärme absorbieren. Hotspots sind lokale Wärmeüberschüsse, die durch Materialinhomogenität oder oberflächennahe Schäden verursacht werden und eine schnellere Verschlechterung von Optiken bewirken. Wenn Material energiereicher Strahlung ausgesetzt ist, z. B. UV- oder Röntgenstrahlen, wird das Material solarisiert, sodass sich die Materialfarbe ändert und die Absorption größer wird, weil Farbpunkte entstehen, die bestimmte Wellenbereiche absorbieren. Daher muss bekannt sein, wie die verschiedenen Strahlungsarten, z. B. Laserstrahlung, von den verschiedenen Glastypen absorbiert werden, um Schäden zu minimieren.

Referenzen

1. “Corning HPFS® 7979, 7980, 8655 Fused Silica.” Corning, February 2014.