Lasertypen 101: Ihr Leitfaden für Laserklassifizierungen

Laser können auf verschiedene Weise klassifiziert werden, typischerweise nach aktivem Medium, Anregungsmethode, Ausgangsmodus und Wellenlängenbereich.

Die Klassifizierung nach dem aktiven Medium unterteilt die Laser in Festkörper-, Gas-, Flüssigkeits- und Halbleiterlaser.

Darüber hinaus können Laser nach ihrer Leistung in kontinuierliche oder gepulste Laser eingeteilt werden.

(1) Festkörperlaser

Festkörperlaser verwenden Materialien wie Rubin, Neodymglas und Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), bei denen eine geringe Menge an Ionen gleichmäßig in den Wirtskristall oder das Glas dotiert ist. Die dotierten Ionen, die so genannten aktiven Ionen, sind für die Laseremissionen verantwortlich. Übergangsmetall-Ionen wie Chrom (Cr³⁺) und Seltene-Erd-Metall-Ionen wie Neodym (Nd³⁺) und Erbium können als aktive Ionen dienen.

Diese Laser werden in der Regel durch Licht angeregt, wobei gängige gepulste Lichtquellen wie Xenon-Blitzlampen und kontinuierliche Quellen wie Kryptonbogenlampen, Jod-Wolfram-Lampen und Kalium-Rubidium-Lampen verwendet werden. In kleinen, langlebigen Lasern können auch Leuchtdioden oder Solarlicht als Anregungsquelle verwendet werden. Einige neue Festkörperlaser werden auch von anderen Lasern angeregt.

Festkörperlaser zeichnen sich durch kompakte Größe, Robustheit, Benutzerfreundlichkeit und hohe Ausgangsleistung aus. Ihre Dauerleistung kann mehr als 100 W betragen, während die Pulsspitzenleistung bis zu 10 % erreichen kann.⁹W. Aufgrund der aufwändigen Zubereitung des Wirkstoffs sind sie jedoch in der Regel teuer.

(2) Gaslaser

Gaslaser verwenden Gase oder Metalldämpfe als aktives Medium, die in der Regel in einer Entladungsröhre enthalten sind, um aktive Ionen zu erzeugen. Die wichtigsten Anregungsmethoden sind elektrisch, aerodynamisch, photonisch und chemisch, wobei die elektrische Methode die häufigste ist.

Unter geeigneten Entladungsbedingungen werden Gasteilchen selektiv auf ein höheres Energieniveau angeregt, wodurch eine Inversion der Teilchenzahl zwischen diesem und einem niedrigeren Energieniveau entsteht, was zu stimulierten Emissionsübergängen führt. Gaslaser können atomar, ionisch, molekular oder excimer sein.

Molekulare Gaslaser verwenden häufig CO₂ als Medium, das vorwiegend infrarote Wellenlängen ausstrahlt, die aufgrund ihrer hohen Wärmewirkung häufig in LaserschneidenDie Excimer-Laser werden in der Feinbearbeitung, in der Medizin, in der mechanischen Bearbeitung sowie in der Entfernungsmessung und Kommunikation eingesetzt. Excimerlaser emittieren im ultravioletten Bereich und werden in der Feinbearbeitung, Photolithographie und Medizin eingesetzt.

Gaslaser zeichnen sich durch ihren einfachen Aufbau, ihre niedrigen Kosten, ihre Bequemlichkeit, ihre gute Strahlqualität und ihre Fähigkeit zum kontinuierlichen und stabilen Betrieb über lange Zeiträume aus. Sie sind die vielseitigste und am weitesten verbreitete Art von Lasern.

(3) Flüssigkeitslaser

Flüssigkeitslaser, auch Farbstofflaser genannt, verwenden organische Farbstoffe als aktives Medium, die in Lösungsmitteln wie Ethanol, Aceton oder Wasser gelöst sind, aber auch in Dampfform arbeiten können. Zu den gebräuchlichen organischen Farbstoffen gehören Rhodamin, Cumarin und Phthalocyanin, die die Erzeugung verschiedener Laserwellenlängen im sichtbaren Bereich ermöglichen. Flüssigkeitslaser werden häufig optisch gepumpt, entweder mit Lasern oder Blitzlampen.

Ihr Wellenlängenbereich reicht vom Ultravioletten bis zum Infraroten (321 nm bis 1,168 μm), der durch Frequenzverdopplungstechniken bis in den Vakuum-Ultravioletten Bereich erweitert werden kann. Zu den Vorteilen von Flüssigkeitslasern gehört die durchstimmbare kontinuierliche Leistung über einen weiten Bereich. Sie werden vor allem in der wissenschaftlichen Forschung und in der Medizin eingesetzt, z. B. in der Laserspektroskopie, Photochemie, Isotopentrennung und Photobiologie.

(4) Halbleiterlaser

Halbleiterlaser, auch bekannt als Laserdioden, verwenden Halbleitermaterialien als aktives Medium. Aufgrund von strukturellen Unterschieden ist der Prozess der Lasererzeugung für verschiedene Arten von Halbleitermaterialien ziemlich einzigartig. Zu den gängigen aktiven Materialien gehören Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumsulfid (CdS), Indiumphosphid (InP) und Zinksulfid (ZnS).

Es gibt drei Hauptanregungsmethoden: elektrische Injektion, Elektronenstrahlanregung und optisches Pumpen. Halbleiterlaser werden in die Typen Homojunction, Single Heterojunction und Double Heterojunction eingeteilt. Homojunction- und Single-Heterojunction-Laser arbeiten im Allgemeinen als gepulste Geräte bei Raumtemperatur, während Doppel-Heterojunction-Laser bei Raumtemperatur kontinuierlich arbeiten können.

Halbleiterlaser sind kompakt, haben eine lange Lebensdauer und können durch eine einfache Strominjektion gepumpt werden. Ihre Betriebsspannung und ihr Strom sind mit integrierten Schaltkreisen kompatibel, was eine monolithische Integration ermöglicht. Darüber hinaus können sie direkt mit Frequenzen von bis zu 50-100 GHz moduliert werden, um Hochgeschwindigkeitslaser zu erzeugen.

Aufgrund dieser Vorteile finden Halbleiterlaser breite Anwendung in der Laserkommunikation, der optischen Speicherung, bei optischen Kreiseln, beim Laserdruck, der Entfernungsmessung und bei Radaranwendungen.

(5) Faserlaser

Faserlaser sind eine Art von Festkörperlaser mit einer mit seltenen Erden dotierten Faser als aktivem Medium. Die Pumpquelle eines Faserlasers besteht aus einer oder mehreren Hochleistungs-Laserdiodenanordnungen. Das emittierte Pumplicht wird über eine spezielle Pumpstruktur in die mit Seltenen Erden dotierte Faser eingekoppelt. Die Photonen der Pumpwellenlänge werden vom dotierten Fasermedium absorbiert, wodurch eine Besetzungsinversion entsteht, die zu einer stimulierten Emission führt.

Die emittierten Lichtwellen werden von den Resonatorspiegeln reflektiert und oszillieren, um die Laserleistung zu erzeugen. Faserlaser haben einen hohen Kopplungswirkungsgrad, können leicht eine hohe Leistungsdichte erreichen und haben eine ausgezeichnete Wärmeableitung, so dass keine sperrigen Kühlsysteme erforderlich sind. Sie zeichnen sich durch einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, niedrige Schwellenwerte, hervorragende Strahlqualität und schmale Linienbreiten aus.

Darüber hinaus verfügen Faserlaser über einen Resonator ohne optische Linsen, was einen wartungsfreien Betrieb, hohe Stabilität und eine extrem lange Lebensdauer von über 100.000 Stunden ermöglicht. Infolgedessen ersetzen Faserlaser nach und nach andere Lasertypen in industriellen Anwendungen wie Schneiden, Markieren und Schweißen.