Rubinlaser

Ein Rubinlaser ist ein Festkörperlaser, der einen synthetischen Rubinkristall als Verstärkungsmedium verwendet. Er wurde 1960 von Theodore Maiman erfunden und war der erste erfolgreich betriebene Laser. Er ist dafür bekannt, tiefrotes Licht mit einer sehr spezifischen Wellenlänge von 694.3 nm zu emittieren.

Funktionsprinzipien

Der Rubinlaser arbeitet als Drei-Niveau-Lasersystem. Das aktive Medium ist synthetischer Rubin, also Aluminiumoxid (Al₂O₃), das mit einer geringen Konzentration von Chromionen (Cr³⁺) dotiert ist. Diese Chromionen sind für die Laserwirkung verantwortlich.

1. Optisches Pumpen: Intensive Blitze aus breitbandigem weißem Licht von einer Blitzröhre treffen auf den Rubinstab.
2. Absorption: Die Chromionen absorbieren grünes und blaues Licht aus dem Blitz und regen dadurch ihre Elektronen vom Grundzustand in höhere Energiebänder an.
3. Nichtstrahlender Zerfall: Die Elektronen fallen schnell auf ein etwas niedrigeres, metastabiles Energieniveau ab und geben die Energie als Wärme statt als Licht ab.
4. Besetzungsinversion: Da der metastabile Zustand eine relativ lange Lebensdauer hat, sammeln sich dort Elektronen an. Schon bald befinden sich mehr Elektronen in diesem angeregten Zustand als im Grundzustand, wodurch eine „Besetzungsinversion“ erreicht wird.
5. Stimulierte Emission: Wenn einige Elektronen auf natürliche Weise in den Grundzustand zurückfallen, emittieren sie Photonen roten Lichts. Diese Photonen treffen auf andere angeregte Chromionen und regen sie dazu an, identische Photonen phasengleich und in derselben Richtung abzugeben, wodurch das Licht rasch verstärkt wird.

Physischer Aufbau

Der optische Strahlengang und der Aufbau eines Rubinlasers beruhen auf einigen entscheidenden Komponenten zur Lichtverstärkung:

• Verstärkungsmedium (Rubinstab): Ein präzise bearbeiteter, hochpolierter zylindrischer Kristall aus synthetischem Rubin.
• Pumpquelle (Blitzröhre): Typischerweise eine spiralförmige Xenon-Blitzröhre, die um den Rubinstab gewickelt ist und hochintensive Lichtimpulse erzeugt.
• Optischer Resonator (Resonator): Zwei Spiegel werden an den gegenüberliegenden Enden des Rubinstabs angebracht, um den optischen Strahlengang zu bilden.
  • Hochreflektierender Spiegel: Ein Spiegel ist zu 100% reflektierend und wirft das gesamte Licht in den Stab zurück.
  • Auskoppelspiegel: Der andere Spiegel ist teilreflektierend (z. B. 90-95%), sodass ein Teil des verstärkten Lichts als Laserstrahl austreten kann, während der verbleibende Anteil zurückreflektiert wird, um die stimulierte Emission aufrechtzuerhalten.
• Kühlsystem: Da Drei-Niveau-Systeme eine sehr hohe Pumpenergie benötigen, die größtenteils in Wärme umgewandelt wird, ist gewöhnlich ein leistungsfähiges Flüssigkeitskühlsystem um den Stab und die Blitzlampe erforderlich.

Wichtige optische Kenngrößen

• Betriebswellenlänge: 694.3 nm (sichtbares Tiefrot). Hinweis: Optische Bandpassfilter mit einer exakten Zentralwellenlänge von 694nm werden in diesen Systemen häufig eingesetzt, um diesen spezifischen Strahlengang zu isolieren.
• Betriebsart: Gepulst (Dauerstrichbetrieb ist aufgrund der hohen Pumpschwelle eines Drei-Niveau-Systems praktisch nicht möglich).
• Pulsdauer: Typischer Bereich von Millisekunden (freilaufender Betrieb) bis hinab zu einigen zehn Nanosekunden (bei Güteschaltung).
• Strahldivergenz: Im Allgemeinen gering, wodurch ein stark kollimierter Strahl entsteht.

Klassifizierungen und Typen

Rubinlaser werden hauptsächlich danach klassifiziert, wie ihre Pulse gesteuert werden:

• Freilaufende Rubinlaser: Sie emittieren einen Impuls, der ungefähr so lange dauert wie der Blitzlampenimpuls (etwa 1 Millisekunde). Die Ausgangsstrahlung besteht aus einer Folge schneller, zufälliger Energiespitzen.
• Gütegeschaltete Rubinlaser: Ein optischer Schalter (Q-Schalter) wird im optischen Resonator platziert. Er verhindert, dass der Strahl hin und her reflektiert wird, bis eine sehr hohe Besetzungsinversion erreicht ist. Beim Öffnen des Schalters wird die gesamte gespeicherte Energie in einem einzigen, extrem starken und ultrakurzen Impuls (10-50 Nanosekunden) mit extremer Spitzenleistung freigesetzt.

Anwendungen

Obwohl Rubinlaser in industriellen Anwendungen weitgehend durch effizientere Festkörperlaser (wie Nd:YAG) ersetzt wurden, sind sie in bestimmten Nischen weiterhin sehr geschätzt:

• Dermatologie: Die Wellenlänge 694 nm wird stark von Melanin und bestimmten Tätowierfarben absorbiert und eignet sich daher zur Behandlung pigmentierter Läsionen und zur Entfernung dunkler Tätowierungen.
• Gepulste Holografie: Die energiereichen, kurzen Pulse gütegeschalteter Rubinlaser können die Bewegung schnell bewegter Objekte „einfrieren“, um Hologramme zu erzeugen.
• Plasmadiagnostik: Wird in der Forschung zur Messung der Elektronentemperatur in Plasmen mittels Thomson-Streuung eingesetzt.

Praxisbeispiel: Gütegeschalteter Rubinlaser in der Dermatologie

Stellen Sie sich einen Patienten vor, bei dem eine Tätowierung mit schwarzer Tinte entfernt wird. Ein gütegeschalteter Rubinlaser wird auf die Haut gerichtet. Der Laser gibt einen intensiven Lichtimpuls bei 694.3 nm mit einer Dauer von nur 20 Nanosekunden ab.

Da die Wellenlänge gezielt von der dunklen Tinte und nicht von der umgebenden Haut absorbiert wird und der Puls so kurz ist (kürzer als die thermische Relaxationszeit der Tintenpartikel), erhitzt sich die Tinte rasch und zerfällt in mikroskopisch kleine Fragmente. Das umgebende Gewebe bleibt weitgehend unversehrt. Anschließend baut das körpereigene Immunsystem die zertrümmerten Tintenpartikel über mehrere Wochen hinweg allmählich ab.