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Excimerlaser

Laserphysik und -technik, abgeleitet von »excimer« (excited dimer), einem nur im elektronisch angeregten Zustand existierenden zweiatomigen Molekül, aus dem das Lasermedium der Excimerlaser besteht. Während Dimere sich eigentlich aus zwei identischen Atomen zusammensetzen und angeregte Moleküle unterschiedlicher Atome normalerweise als »exciplexe« (excited state complex) bezeichnet werden, benutzt man die Bezeichnung Excimerlaser heute generell für beide Systeme. Am häufigsten werden Verbindungen von Edelgasen und Halogenen verwendet, wieArF*, KrF*, XeCl* und XeF*. (Der Stern, der den angeregten Zustand des Moleküls andeutet, wird häufig weggelassen.)

Excimerlaser sind zur Zeit die flexibelsten und leistungsstärksten Quellen kohärenter Strahlung im ultravioletten Bereich des Spektrums. Die erreichbaren Wellenlängen der verschiedenen Systeme liegen zwischen 108 nm (NeF*) und 351 nm (XeF*). Wegen der notwendigen sehr hohen Pumpleistungen werden Excimerlaser nur gepulst betrieben, bei Pulsdauern im Bereich von 10 bis 30 ns, Repetitionsfrequenzen bis zu 1 kHz, Durchschnittsleistungen um 200 W, Pulsenergien um 1 J und entsprechenden Pulsspitzenleistungen von bis zu 50 MW. Die kurzen Pulsdauern führen dazu, dass ein Excimerlaser auf vielen Moden gleichzeitig in einem entsprechen breiten Wellenlängenbereich emittiert. Wissenschaftlichen Anwendungen sind unter anderem Isotopentrennung und LIDAR. Im Gegensatz zum ebenfalls sehr leistungstarken CO2-Laser, der infrarote Strahlung emittiert, erlaubt die kurzwellige, ultraviolette Emission eine nichtthermische Wechselwirkung mit zu bearbeitendem Material, so dass der Excimerlaser auch fürAnwendungen mit hoher Präzision geeignet ist, etwa in der Medizin für Augenoperationen oder Gewebeablation und in der Industrie für Materialbearbeitung und Lithographie. Ausserdem wird speziell der XeCl*-Laser auch als Pumplaserfür Farbstofflaser eingesetzt.

Der Excimerlaser erreicht die zum Laserbetrieb notwendige Besetzungsinversion durch den Umstand, dass Excimere praktisch nur im angeregten Zustand vorkommen, weil sie keine oder nur schwach gebundene Grundzustände (mit Lebensdauern t » 10-12 s) besitzen, so dass das Vorhandensein der Excimere praktisch allein zu einer Inversion führt. Im Lasermedium gebildete Excimere zerfallen mit einer Lebensdauer um t » 10 ns unter Emission eines Photons, wie in Abb. 1 gezeigt. Der Übergang in den nicht-gebundenen Zustand mit seinem kontinuierlichen Energiespektrum erlaubt prinzipiell den Betrieb als durchstimmbarer Laser. Die emittierte Strahlung wird durch Resonatorspiegel zur Strahlungsverstärkung rückgekoppelt. Da die Wellenlängen der Emission wegen des kontinuierlichen Spektrums jedoch über eine beträchtliche Bandbreite (über 100 nm) verteilt sind, ist der Wirkungsquerschnitt s von Excimeren für die stimulierte Emission - also die Wahrscheinlichkeit der Emission weiterer, kohärenter Photonen aufgrund der Rückkopplung - sehr gering. Excimerlaser benötigen somit sehr hohe Pumpleistungen, damit es trotzdem zur Laseremission kommt. Die Anregung des Mediums erfolgt daher meist durch einen Elektronenstrahl (wie in der Abb. 2 dargestellt) oder, bei den meisten kommerziellen Systemen, durch eine Hochspannungsentladung. [PVDH]

Excimerlaser

Excimerlaser 1: Termschema eines Excimerlasers

Excimerlaser

Excimerlaser 2: Elektronenstrahl-gepumpter Excimerlaser

 

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