Welche gängigen Arten von Infrarotlasern (IR) gibt es?

Infrarotlaser (IR-Laser) erzeugen Licht, das für das menschliche Auge vollständig unsichtbar ist. Statt dieses Licht zu sehen, nehmen wir es häufig als Wärme wahr. Aufgrund ihrer besonderen Wellenlängen gehören Infrarotlaser zu den leistungsstärksten Werkzeugen der Lasertechnik und werden für Anwendungen eingesetzt, die vom industriellen Schneiden massiver Metallteile bis zur Übertragung von Internetdaten über Ozeane reichen.

Im Folgenden werden die gebräuchlichsten Arten von Infrarotlasern anhand der zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien klassifiziert.

Nd:YAG-Laser (Festkörperlaser)

Einer der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Festkörperlaser der Welt, bekannt für seine hohe Leistung und robuste Zuverlässigkeit.

• Wellenlänge: Hauptsächlich 1064 nm (Nahinfrarot).
• Funktionsmechanismus: Verwendet wird ein synthetischer Kristall aus Yttrium-Aluminium-Granat, der mit Neodymionen „dotiert“ (gemischt) ist. Dieser Kristall wird durch eine leistungsstarke Blitzlampe oder eine externe Laserdiode angeregt.
• Wesentliche Eigenschaften: Sehr hohe Ausgangsleistung, ausgezeichnete Strahlqualität und Betrieb mit schnellen, energiereichen Pulsen oder als kontinuierlicher Strahl.
• Typische Anwendungen: Industrielles Hochleistungsschneiden und Schweißen von Metallen, medizinische Verfahren wie Laser-Haarentfernung und Augenchirurgie, Tattooentfernung sowie militärische Entfernungsmesser.

Kohlendioxidlaser (CO2) (Gas)

Das Arbeitspferd der Schwerindustrie. Dies ist einer der ältesten, gebräuchlichsten und leistungsstärksten Dauerstrichlaser, die je entwickelt wurden.

• Wellenlänge: 10.6 µm oder 10,600 nm (mittleres Infrarot).
• Funktionsprinzip: Verwendet ein Gasgemisch in einer Röhre, das hauptsächlich aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium besteht und durch einen starken elektrischen Strom angeregt wird.
• Wesentliche Eigenschaften: Extrem hohe Leistung und hohe Effizienz. Aufgrund der längeren Wellenlänge wird der Strahl von organischen Materialien und Kunststoffen leicht absorbiert, von den meisten unbehandelten Metallen jedoch reflektiert.
• Typische Anwendungen: Industrielles Schneiden und Gravieren von Holz, Acryl, Papier und Leder; medizinische Dermatologie (z. B. Laser-Hauterneuerung und kleinere chirurgische Eingriffe).

GaAs- und InGaAs-Laserdioden (Halbleiter)

Dies sind die winzigen, kostengünstigen Laser, die sich in unserer Alltagstechnik verbergen. Sie sind die Infrarot-Pendants zu den Lasern in CD- oder Blu-ray-Playern.

• Wellenlänge: Großer Bereich von 800 nm bis 1550 nm (Nahinfrarot).
• Funktionsprinzip: Verwendet Halbleiterübergänge aus Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumgalliumarsenid (InGaAs). Wenn elektrischer Strom durch den Chip fließt, wird das Licht direkt emittiert.
• Wesentliche Merkmale: Extrem kompakt, häufig so groß wie ein Salzkorn, sehr energieeffizient und zu äußerst niedrigen Kosten einfach in großen Stückzahlen herstellbar.
• Typische Anwendungen: Gesichtserkennungssensoren in Smartphones, LiDAR-Systeme für selbstfahrende Fahrzeuge, Barcodescanner sowie der Einsatz als interne Leistungsquelle (die „Pumpe“) zur Anregung größerer Festkörperlaser.

Erbium-dotierte Laser (Faser/Festkörper)

Sie sind als „augensichere“ Laser bekannt und bilden das entscheidende Rückgrat der weltweiten Telekommunikation.

• Wellenlänge: Typischerweise etwa 1550 nm oder 2940 nm (nahes bis mittleres Infrarot).
• Funktionsprinzip: Verwendet eine mit dem Seltenerdelement Erbium dotierte Glasfaser (oder einen Festkörperkristall).
• Wesentliche Eigenschaften: Licht im Bereich von 1550 nm breitet sich nahezu verlustfrei durch Standard-Glasfaserkabel aus. Darüber hinaus absorbiert die Flüssigkeit im menschlichen Auge diese Wellenlänge, bevor sie die Netzhaut erreicht. Dadurch ist der Umgang damit deutlich sicherer als mit anderen Lasern.
• Typische Anwendungen: Datenübertragung über große Entfernungen durch Glasfaserkabel in Telekommunikationsnetzen (Internet), optische Verstärker sowie hochpräzise Eingriffe an Zähnen und Gewebe, bei denen thermische Schäden möglichst gering gehalten werden müssen.

Quantenkaskadenlaser oder QCLs (fortschrittliche Halbleiter)

Ein hochkomplexer, spezialisierter Laser, der gezielt für bestimmte, schwer erreichbare Wellenlängen weiter im Infrarotbereich ausgelegt werden kann.

• Wellenlänge: Über das mittlere bis ferne Infrarotspektrum stark abstimmbar (ca. 3 µm bis über 20 µm).
• Funktionsmechanismus: Verwendet ultradünne, mikroskopische Schichten aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Anstelle einer herkömmlichen Reaktion durchlaufen Elektronen eine mikroskopische „Treppe“ aus Quantentöpfen. Bei jedem Abstieg um eine Stufe emittiert ein Elektron ein Lichtphoton.
• Wesentliche Eigenschaften: Hochgradig und präzise auf kundenspezifische Wellenlängen abstimmbar. Sie arbeiten bei Raumtemperatur und schließen eine große Lücke im mittleren Infrarotbereich, in dem andere Laser nur eingeschränkt funktionieren.
• Typische Anwendungen: Chemische Spektroskopie zur Identifizierung unbekannter Gase und Chemikalien, medizinische Atemalkohol-Diagnostik, Detektion von Explosivstoffen und militärische Gegenmaßnahmen zur Blendung wärmesuchender Raketen.