Farbstofflaser

Farbstofflaser

Ein Farbstofflaser ist eine in der Wellenlänge abstimmbare Laser-Lichtquelle, bei dem als optisch aktives Medium ein spezieller Fluoreszenzfarbstoff verwendet wird. Die dabei als Laserfarbstoffe eingesetzten Emittermoleküle sind chemisch teilweise sehr unterschiedlich, um den Spektralbereich von nahem UV bis ins nahe IR abzudecken.^[1] Jeder einzelne Farbstoff deckt dabei einen spektralen Bereich von typischerweise 30–60 nm ab. Farbstofflaser besitzen innerhalb ihres Resonators ein dispersives Element (z. B. ein Gitter oder Etalon), mit dem die Emissions-Wellenlänge des Lasers im Betrieb eingestellt werden kann. Durch Verstellen des dispersiven Elements wird der Farbstofflaser über oben genannten Spektralbereich frei durchstimmbar. Farbstofflaser können sowohl im Dauerstrich- als auch im Pulsbetrieb eingesetzt werden.

In der Regel wird der Farbstoff in einem Lösungsmittel gelöst und entweder durch eine Küvette gepumpt oder es wird mittels einer schlitzförmigen Düse ein Freistrahl in Form eines planparallelen Flüssigkeitsfilms erzeugt und damit umgepumpt. In der Küvette bzw. im Freistrahl wird der Farbstoff optisch angeregt ("optisch gepumpt"). In der Regel geschieht dies mit einem Pumplaser (z. B. Argonlaser, frequenzverdoppelte Nd:YAG-Laser, Excimer-Laser), seltener mittels Blitzlampen. Das Umpumpen der Farbstofflösung ist notwendig, da die Farbstoffmoleküle im Lichtfeld der Pumplichtquelle ihre Struktur reversibel verändern (sogenanntes Ausbleichen durch Besetzung langlebiger Molekülzustände). Daher ist es zum stabilen (Dauerstrich-)Betrieb des Lasers notwendig die Farbstofflösung in regelmäßigen Abständen im Pumpvolumen auszuwechseln.

Das Bild zeigt einen Farbstofflaser mit dem Farbstoff Rhodamin 6G. Die Anregungsquelle ist hier ein grün emittierender Festkörperlaser (frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser). Dieser regt die in dem Lösungsmittel gelösten Farbstoffmoleküle zur Fluoreszenz an. Die Lösung muss dabei in einem Kreislauf kontinuierlich umgepumpt werden. Die emittierte Laserstrahlung des im Bild gezeigten Lasers hat eine Wellenlänge von ca. 550–600 nm.

Das wichtigste Einsatzgebiet der Farbstofflaser ist die Laserspektroskopie; durch die abstimmbare Wellenlänge können z. B. Zusammensetzung, Temperatur und Strömung von Gasen untersucht werden.

Geschichte

Der Farbstofflaser wurde im Sommer 1966 fast zeitgleich, jedoch unabhängig voneinander, von Fritz P. Schäfer^[2] und Peter Sorokin ^[3] erfunden. Es war eine Zufallsentdeckung: Das Laserlicht aus einem Rubinlaser wurde auf eine Glasküvette mit einem Fluoreszenzfarbstoff geschickt. Die Reflexion der Glas-/Luft-Grenzfläche (etwa 4 Prozent Reflexion) reichte aus, um in der Küvette „lasing“ anzuregen.

Wenig später gelang es Theodor W. Hänsch durch Einbau frequenzselektiver Elemente, den Farbstofflaser für die Spektroskopie zu nutzen und damit zu einem der wichtigsten Instrumente in der Atomphysik zu machen.

Die Bedeutung von Farbstofflasern hat in den letzten Jahren zugunsten anderer durchstimmbarer Lasersysteme abgenommen. Insbesondere leichter zu bedienende, durchstimmbare Diodenlaser, Titan:Saphir-Laser im roten Spektralbereich oder flexible synchrongepumpte optisch parametrische Oszillatorsysteme (OPO-Systeme) sind hier zu nennen.

Weblinks

• http://www.opticsjournal.com/dyelasers.htm Duarte, F.: DYE LASERS LIQUID DYE LASERS AND SOLID-STATE DYE LASERS
• http://www.opticsjournal.com/tutorial.htm Duarte, F.: Multiple-prism grating tunable laser oscillators: ultra-brief introduction
• Bornemann, R.: Farbe für die Medizin. Über den Einsatz von Farblasertechnik in Therapie und Diagnostik

Einzelnachweise

1. ↑ F. P. Schäfer and K. H. Drexhage: "Dye Lasers" Springer-Verlag, 1977. ISBN 978-3-540-51558-6
2. ↑ Fritz P. Schäfer, Werner Schmidt, and Jürgen Volze: ORGANIC DYE SOLUTION LASER. In: Appl. Phys. Lett. Nr. 9, 1966, S. 306. http://link.aip.org/link/?APPLAB/9/306/1 .
3. ↑ P. P. Sorokin and J. R. Lankard: "Stimulated emission observed from an organic dye, chloro-alurninum phthalocyanine." in: IBM J. Res. Develop. 10, 162-163 (1966).