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Farbstofflaser

Laserphysik und -technik, Dyelaser, einer der wichtigsten Lasertypen und der lange Zeit am weitesten verbreitete durchstimmbare Laser. Beim Farbstofflaser ist das aktive Medium ein in einer Flüssigkeit (z.B. Ethanol oder Wasser) gelöster Farbstoff (engl.: dye). Der Farbstofflaser zeichnen sich durch einen grossen kontinuierlichen Abstimmbereich (bis zu 90 nm) aus, mit den verschiedenen Farbstoffen kann zudem der gesamte Spektralbereich zwischen 300 nm und 1200 nm abgedeckt werden. Ausserdem lassen sich hohe Leistungen bis über 100 W und bei entsprechender Frequenzstabilisierung extrem schmalbandige Linienbreiten von unter 1 MHz erreichen. Als Pulslaser erlaubt der Farbstofflaser Spitzenleistungen von mehreren Megawatt und Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden. Mit im cw-Betrieb arbeitenden Pumplasern (z.B. einem Argonionenlaser) lässt sich der Farbstofflaser auch als Dauerstrich-Laser betreiben. Diese Kombination von Eigenschaften hat dazu geführt, dass der Farbstofflaser lange Zeit insbesondere aus wissenschaftlichen Anwendungen wie der Laserspektroskopie nicht mehr wegzudenken war. Mit der Entwicklung neuer durchstimmbarer Lasertypen mit vergleichbaren Fähigkeiten, z.B. der Dioden- und der Titan-Saphir-Laser, begann der Farbstofflaser aber wegen seiner relativ hohen Kosten und des aufwendigen Betriebs an Bedeutung zu verlieren.

Beim Farbstofflaser sind die elektronischen Niveaus der Farbstoffmoleküle, anders als bei den Atomen im Lasermedium eines Gaslasers, in sehr viele dicht nebeneinander liegende Vibrations- und Rotationsniveaus mit überlappenden Emissionslinien aufgespalten. Dies führt aufgrund der Vielzahl möglicher elektronischer Übergänge zu einem kontinuierlichen Fluoreszenzspektrum, was die Durchstimmbarkeit des Farbstofflasers begründet (Abb. 1a). Die Emissionsbereiche einiger Farbstoffe sind in Tab. 1 aufgeführt. Die über 500 zur Verfügung stehenden Farbstoffe sind meist organische Moleküle mit zum Teil vielen hundert Atomen. Das Molekül des verbreitetsten Farbstoffs, Rhodamin 6G, ist in Abb. 1b gezeigt.

Der Farbstofflaser ist nach der Bandenstruktur seines Niveauschemas ein Vier-Niveau-Laser (Abb. 2). Das Energie-Niveauschema des Farbstoffmoleküls setzt sich zusammen aus elektronischen Singulettzuständen (S) und Triplettzuständen (T), wobei jeder elektronische Zustand in Vibrationsniveaus aufgespalten ist und sich diese noch einmal in Rotationsniveaus unterteilen. Bei der optischen Anregung durch ein Pumplaserphoton wird ein Farbstoffmolekül aus einem Rotations-Schwingungsniveau des elektronischen Grundzustands S0 in eines der Schwingungsniveaus des ersten angeregten Singulett-Zustands S1 angehoben. Von dort fällt das Molekül durch Stösse mit dem Lösungsmittel sehr schnell (t = 1-10 ps) innerhalb der Bandenstruktur zum untersten Vibrationsniveau von S1. Unter Aussendung eines Photons findet dann der Laserübergang von diesem untersten Vibrationsniveau (mit einer relativ langen Lebensdauer von t = 1-10 ns) zu einem der angeregten Vibrationsniveaus des elektronischen Grundzustandes S0 statt. Innerhalb des S0-Zustandes fällt das Molekül dann wieder schnell in die unteren Vibrationsniveaus des elektronischen Grundzustands. Die genauen möglichen Übergänge zwischen den einzelnen Vibrationsniveaus werden durch das Franck-Condon-Prinzip beschrieben.

Die Möglichkeit, dass Moleküle vom Singulett- in das Triplett-System übergehen (Intersystem-Crossing), führt bei cw-Farbstofflasern zum Problem des »Quenchings«, der Zerstörung der Besetzungsinversion. Um dieses Problem zu vermeiden, muss der Farbstoff in der aktiven Region kontinuierlich ausgetauscht werden. Dies kann geschehen, indem man die Farbstofflösung von einem Reservoir durch die Farbstoffzelle hindurch wieder zurück zum Reservoir fliessen lässt. Bei cw-Farbstofflasersystemen wird die Küvette meist durch einen freien Flüssigkeitsstrahl ersetzt (Dye-Jet, Abb. 3).

Ein weiteres wichtiges Problem des Farbstofflasers ist das räumliche »Lochbrennen«, das bei Laserresonatoren mit stehenden Wellen auftritt. An den Knoten der stehenden Welle kommt es nicht zur stimulierten Emission, dies führt zu Leistungsverlusten und zum Anschwingen weiterer Resonatormoden, die den Single-Mode-Betrieb, der für schmale Linienbreiten notwendig ist, unmöglich machen. Zur Frequenzstabilisierung und Leistungsverbesserung benutzt man daher bei Farbstofflasern oft die aufwendigeren Ringresonatoren (mit umlaufender Welle). [PVDH]

Farbstofflaser

Farbstofflaser 1: a) Aufspaltung der Energieniveaus im Molekül mit Vibrations- und Rotationszuständen, b) das Farbstoffmolekül Rhodamin 6G.

Farbstofflaser

Farbstofflaser 2: Ausschnitt aus dem Niveauschema eines zwei-atomigen Moleküls und prinzipielles Laserniveauschema des Farbstofflasers. S0, der elektronische Grundzustand und S1, der erste angeregte Singulett-Zustand, sind beide in Vibrationsniveaus aufgespalten, deren ortsabhängige Aufenthaltswahrscheinlichkeiten durch die eingezeichneten Wellenfunktionen angedeutet sind. Die Pfeile geben das Übergangsverhalten nach dem Franck-Condon-Prinzip wieder.

Farbstofflaser

Farbstofflaser 3: Zwei typische Dye-Jet-Anordnungen. Oben ein longitudinal gepumptes System. Das hier auftretende Problem der notwendigerweise für die Pumpwellenlänge transparenten, aber für die Laserwellenlänge reflektierenden Beschichtungen am Einkoppelspiegel kann wie unten gezeigt vermieden werden: Der Pumpstrahl wird hier schräg unter dem Brewster-Winkel (für minimale Reflektion) in den Dye-Jet fokussiert.

Farbstofflaser 1: Pumpquellen und Leistungsdaten.

Pumpe

Abstimmbereich [nm]

Pulsdauer [ns]

Spitzen-
leistung [W]

Pulsenergie [mJ]

Pulsfolge-
frequenz [Hz]

mittlere Ausgangs-
leistung [W]

Excimer-Laser

370-985

10-200

£ 107

£ 300

20-200

0,1-10

N2-Laser

370-1020

1-10

£ 105

< 1

< 103

0,01-0,1

Blitzlampen

300-800

300-104

102-104

< 5000

1-100

0,1-200

Ar+-Laser,
Kr
+-Laser

400-1100

cw

cw

-

cw

0,1-5

Nd:YAG-Laser

l / 2: 550 nm l / 3: 355 nm

400-920

10-20

105-107

10-100

10-30

0,1-1

Kupferdampf-Laser

530-890

30-50

» 104-105

» 1

£ 104

£ 10

 

Farbstofflaser 2: Abstimmbereiche einiger Farbstoffe.

Farbstoff (Kurzbezeichnung und Name)

Maximum der Fluoreszenz [nm]

Abstimmbereich [nm]

Pumplaser, Pumpquellen

Pumpleistung [W]

PP1:     Polyphenyl 1

385

375-411

Kr+, UV

3,3

S1:       Stilben 1

415

395-435

Ar+, UV

2,5

S3:       Stilben 3

435

400-465

Ar+, UV

2,5

C102:    Coumarin 102

495

460-520

Kr+, UV

2,5

C30:     Coumarin 30

510

480-545

Kr+, vis

4,6

C6:       Coumarin 6

538

508-560

Ar+, 488 nm

6

R110:    Rhodamin 110

550

535-585

Ar+, 514 nm

6

R6G:     Rhodamin 6G

593

560-630

Ar+, 514 nm

6

DCM

650

610-700

Ar+, 488 nm

6

Py2:     Pyridin 2

730

690-790

Ar+, vis

6,5

LD 700

750

690-835

Kr+, rot

6

St9M:   Styryl 9M

580

758-915

Ar+, 514 nm

7

IR 140

960

880-1010

Kr+, IR

2

 

 

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