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Laser

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Laser sind Strahlenquellen, die das emittierende Licht durch die so genannte induzierte Emission erzeugen.

Laserfernsehen

Das Laserfernsehen ist fast marktreif

Beschreibung

Der Begriff Laser wurde bereits 1957 von Gordon Gould geprägt. Laser sind Strahlungsquellen, (Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung), deren Gemeinsamkeit im Entstehungsprozess der Strahlung liegt, nämlich in der so genannten induzierten Emission. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Typen von Lasern mit den verschiedensten Eigenschaften. Ein Laser besteht immer aus einem optisch aktiven Medium, in dem die Strahlung erzeugt wird, und meistens einem Resonator, der für die Eigenschaften des Laserstrahls, wie Parallelität oder Strahlprofil, mitverantwortlich ist.

Laser haben Eigenschaften, die sie stark von klassischen Lichtquellen (wie z. B. einer Glühlampe) unterscheiden. Aufgrund der hohen Kohärenz wird bei Laser-Strahlung die Wellennatur des Lichts besonders deutlich, beispielsweise durch Interferenzeffekte. Laser können außerdem stark (fokussiert) werden, weshalb sie sich als Schneid- und Schweißwerkzeug oder auch als Laserskalpell in der Medizin eignen.

Laser können auch so konstruiert werden, dass sie Impulse mit extrem geringer Dauer (~10-fs-Bereich) aussenden. Die damit mögliche zeitaufgelöste Laser-Spektroskopie ist ein Standardverfahren zur Untersuchung schneller Prozesse geworden.

Geschichte:
Albert Einstein beschrieb bereits 1917 die stimulierte Emission als Umkehrung der Absorption. Danach wurde lange gerätselt, ob der Effekt zur Verstärkung des Lichtfeldes benutzt werden könnte, da zum Erreichen der Verstärkung eine Besetzungsinversion eintreten musste. Diese ist aber in einem stabilen Zweiniveausystem unmöglich. Zunächst wurde ein Dreiniveausystem in Betracht gezogen, und Rechnungen ergaben eine Stabilität für Strahlung im Mikrowellenbereich, realisiert im Maser, der Mikrowellenstrahlung aussendet. Der erste Laser - ein Rubin-Laser - wurde 1960 von Theodore Maiman gebaut und am 26. Mai fertig gestellt.

Die weitere Entwicklung führte dann zunächst zu Gas-Lasern (Stickstoff-, CO2-Laser, He-Ne-Laser) und danach zu Farbstoff-Lasern (das laseraktive Medium ist flüssig). Eine Weiterentwicklung von Kristalltechnologien ermöglichte eine sehr starke Erweiterung des spektralen Nutzbereiches. Durchstimmbare Laser zum Anfahren einer bestimmten Wellenlänge und breitbandige Laser wie z. B. der Titan-Saphir-Laser läuteten in den 1980er Jahren die Ära der Ultrakurzpuls-Laser mit Impulsdauern von Pico- und Femtosekunden ein.

In den späten 1980er Jahren ermöglichte die Halbleitertechnologie immer langlebigere, hocheffektive Halbleiter-Laserdioden, die mit kleiner Leistung in CD- und DVD-Laufwerken oder in Glasfaser-Datennetzen eingesetzt werden und inzwischen nach und nach als Pumpquellen mit Leistungen bis in den kW-Bereich die wenig effektive Lampenanregung von Festkörper-Lasern ersetzen.

In den 1990er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faser-Laser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechniken und Leistungen bis 20 kW zunehmend Anwendungen bei der Materialbearbeitung, wo sie die bisher gebräuchlichen Typen (CO2-Laser, lampengepumpte Nd:YAG-Laser) teilweise ersetzen können.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden erstmals nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen. Damit ließen sich zeitliche Abläufe im Inneren eines Atoms verfolgen.

Erste blaue und ultraviolette Laserdioden erreichten die Marktreife.

Inzwischen ist der Laser zu einem bedeutenden Instrument der Industrie, Kommunikation, Wissenschaft und Unterhaltungselektronik geworden.

Physikalische Grundlagen:
Spontane Emission:
Befindet sich ein Atom oder Molekül in einem energetisch angeregten Zustand, so gibt es mehrere Möglichkeiten, diese in ihm gespeicherte Energie wieder abzugeben. Eine davon ist die spontane Emission von Strahlung: Ein Elektron oder ein Molekül-Schwingungszustand wechselt in einen energetisch günstigeren Zustand und strahlt ein Photon (Lichtquant) mit der der Niveaudifferenz entsprechenden Energie bzw. Wellenlänge ab. Wesentlich für die spontane Emission ist, dass das Abstrahlen zufällig geschieht (spontan: v. lat. sponte, selbstständig). Die Abstrahlung ist zufällig, falls sie nicht von außen induziert/stimuliert wird.

Stimulierte Emission:
Bei herkömmlichen Lichtquellen erfolgt der Übergang von einem Energieniveau zum anderen durch spontane Emission. Sowohl der Zeitpunkt als auch die Richtung, in die das Photon ausgesendet wird, sind zufällig. Beim Laser hingegen erfolgt dieser Übergang durch stimulierte Emission: Ein Lichtteilchen stimuliert diesen Übergang, und dadurch entsteht ein zweites Lichtteilchen, dessen Eigenschaften (Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung) mit dem des ersten identisch sind. Das Resultat ist eine Lichtverstärkung. Das Problem der praktischen Umsetzung ergibt sich direkt aus dem Bänderdiagramm rechts oben: Pumpt man mit Licht der Energie EM ? EL, so würde man auch direkt wieder eine stimulierte Emission erzeugen. So kann ein Laser also nicht funktionieren, denn so käme nie die nötige Überzahl an Elektronen auf das EM-Niveau, die aber für eine kontinuierliche stimulierte Emission nötig ist. Also pumpt man mit Licht der Energie EP ? EL Elektronen auf ein noch höheres Niveau, das so genannte Pumpniveau. Von dort aus fallen die Elektronen von selbst auf das EM-Niveau, sodass diese von dort zur stimulierten Emission beitragen können. Der Vorgang läuft genau dann günstig ab, wenn der Übergang von EP zu EM sehr schnell und von EM zu EL etwas langsamer erfolgt. Die kurze Übergangszeit von EP zu EM gewährleistet so genügend Zustände im laseraktiven Niveau EM für die stimulierte Emission. Der Übergang von EP zu EL sollte hingegen möglichst selten auftreten, um unerwünschte Emissionen zu vermeiden.

Absorption:
Der zur Emission entgegengesetzte Vorgang ist die Absorption, bei der durch die Energie eines Photons ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben wird.

Besetzungsinversion:
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon durch Absorption ein Elektron auf ein höheres Niveau anhebt, ist in einem Zwei-Niveau-System genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass es eine stimulierte Emission auslöst. Um eine Verstärkung von Licht zu erreichen, müssen daher mehr Zustände im höheren Niveau vorliegen als im niedrigen, so dass aufgrund der Besetzung die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission höher ist als für die Absorption. Diesen Zustand nennt man Besetzungsinversion.

Eine Besetzungsinversion kann im thermischen Gleichgewicht nicht erreicht werden. Zweiniveausysteme können also, wenn sie durch Strahlung gepumpt werden, nur gepulst arbeiten, da die Inversion nicht dauerhaft aufrechterhalten werden kann. Dank anderer Pumpmechanismen gibt es aber auch Zweiniveau-Laser im kontinuierlichen Betrieb, etwa elektrisch gepumpte Dioden-Laser.

Im Drei-Niveau-System wird ein Elektron aus dem Grundzustand in einen hoch liegenden atomaren oder molekularen Zustand angeregt. Dieser angeregte Zustand zerfällt schnell in das obere Niveau des Laserübergangs, der metastabil (d. h. langsam zerfallend) ist. Durch diesen Effekt werden die Atome/Moleküle des Lasermediums in den oberen Zustand des Laserüberganges gepumpt; eine Besetzungsinversion ist die Folge.

Technische Umsetzung:
In einem Laser wird das Licht, das durch spontane Emission erzeugt wurde, durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet, in dem Besetzungsinversion herrscht (das sog. aktive Medium, z. B. ein Nd:YAG-Kristall oder eine Kohlendioxid-Gasentladung), geleitet. Eine solche Anordnung nennt man optischen Resonator (lat. resonare = zurücksingen, hallen). Im Resonator wird das Licht beim Hin- und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln durch stimulierte Emission immer weiter verstärkt, bis der Leistungszuwachs innerhalb des Systems durch die Abnahme der Besetzungsinversion und die immer stärker ansteigenden Verluste ausgeglichen wird. Einer der beiden Spiegel ist teilweise (typisch: Promille bis über 15 %, je nach Verstärkung) durchlässig, um Licht aus dem Laser auskoppeln zu können. Die Feldstärke innerhalb des Resonators ist dadurch viel höher als im ausgekoppelten Strahl.

Lasermedien mit sehr hoher Verstärkung können auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel-Lasern (so genannte Superstrahler, z. B. beim Stickstoff-Laser).

Ausgangsleistungen von typischen Lasersystemen reichen von wenigen Mikrowatt (µW) bei Dioden-Lasern bis zu einigen Terawatt (TW) bei gepulsten Femto- oder Attosekunden-Lasern mit externer Verstärkung.

Die Energie, die benötigt wird, um die Atome oder Moleküle in die angeregten Zustände zu versetzen, muss dem System von außen zugeführt werden. Dieser Prozess wird als Pumpen bezeichnet. Es kann elektrisch in Form einer Gasentladung, durch Injektion von Ladungsträgern (Stromfluss) beim Halbleiter-Laser oder optisch durch das Licht einer Gasentladungslampe (Blitzlampe oder Bogenlampe) oder eines anderen Lasers stattfinden.

Auch eine chemische Reaktion kann zum Pumpen dienen. Beim Freie-Elektronen-Laser stammt die Pumpenergie aus dem Elektronenstrahl.

Eigenschaften von Laser-Strahlung :
Strahleigenschaften:
Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser-Resonators bestimmt: Die Laseremission wird durch diesen nur in einer Richtung ermöglicht, die durch die Spiegelanordnung und die Geometrie des Aktiven Mediums bestimmt ist. Da Laser dadurch nahezu parallel in eine Richtung verlaufende Strahlung aussenden, kann durch Bündelung (Fokussierung) eine sehr viel höhere Leistungsdichte erreicht werden als bei gewöhnlichen Lichtquellen (z. B. Bogenlampen). Das Verhalten von Laser-Strahlen kann oft gut durch Gauß-Strahlen beschrieben werden.

Kohärenz:
Bei einer normalen Glühlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet, sondern auch zeitlich leicht versetzt, also phasenverschoben. Bei einem Laser dagegen springen die Wellen jeweils fast gleichzeitig ab. Die Wellen sind also über mehr oder weniger lange Strecken fast phasengleich, was man sich auch in der Holografie zunutze macht. Man sagt diese Wellen haben eine große Kohärenzlänge.

Polarisation:
Die Polarisation von Laser-Strahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (schräge Umlenkspiegel und Flächen (Brewster-Fenster), geringe Höhe des Resonators bei Halbleiter-Lasern) meistens linear.

Oft ist das erwünscht, um polarisationsabhängige Kopplung und Strahlteilung durchführen zu können.

Beim Schneiden von Metallen tritt jedoch insbesondere bei der linear polarisierten CO2-Laser-Strahlung im Schnittspalt eine polarisationsabhängige Absorption auf, was eine schlechte und richtungsabhängige Schnittkantenqualität zur Folge hat. Daher wird beim Metallschneiden mit zirkularer Polarisation gearbeitet, die durch phasendrehende Spiegel im Strahlengang des Laserstrahles erzielt wird.

Frequenz, Wellenlänge:
Die Frequenz von Laser-Strahlung wird durch das aktive Medium bestimmt. Es gibt Stoffe, die auf vielen Wellenlängen zum Lasen angeregt werden können - jedoch meistens bei einer Wellenlänge besonders gut. Daher sind Laser sehr schmalbandige Strahlungsquellen. Extreme Schmalbandigkeit ist z. B. bei der interferometrischen Längenmessung mittels Lasern von Bedeutung. Bei extremer Breitbandigkeit spricht man von Superkontinuum-Lasern, welche z. B. in der optischen Kohärenztomographie und zur Erzeugung von Frequenzkämmen eingesetzt werden.

Dauerstrich- und gepulste Laser:
Laserlicht von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave laser, cw-laser) ist im Idealfall schmalbandig (monochrom, einfarbig), das heißt, es besteht nur aus Licht einer Wellenlänge. Insbesondere ist Dauerstrich-Laserlicht aus stabilen Laserresonatoren aufgrund des Vielfachumlaufes zeitlich beziehungsweise longitudinal (entlang seiner Ausbreitungsrichtung) kohärent, was bedeutet, dass die ausgesandten Wellenzüge nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch in der Phase über eine lange Strecke (die Kohärenzlänge) konstant sind. Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgeprägte Interferenzerscheinungen. Während des Einschwingvorgangs des Dauerstrich-Lasers tritt zunächst oft Spiking, das heißt eine unregelmäßige Laserimpulsabgabe, auf. Dieses Verhalten nutzt ein modengekoppelter Laser gezielt aus, indem er die Spikes z. B. triggert oder synchronisiert.

Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein gepulster Laser pulsierende Strahlung. Dazu benötigt er prinzipiell eine größere Frequenzbandbreite bei der die beteiligten Frequenzen gekoppelt sind (Modenkopplung). Je kürzer die Impulsdauer, desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fouriertransformation das erzeugte Spektrum. Die geringsten erzielbaren Impulsdauern liegen heutzutage in der Größenordnung von Femto- und Attosekunden. Bei derart kurzen Impulsen (Länge des Strahlungspaketes <30 µm, also ein Bruchteil einer Haarbreite) spielt bereits die ausreichende Breitbandigkeit des verstärkenden Lasermediums eine Rolle. Die Wiederholfrequenz, mit der die Impulse im Laser erzeugt werden, hängt u. a. bei der instantanen Kerr-Linsen-Modenkopplung (engl. "Kerr lens mode locking", ein Verfahren zur Erzeugung stabiler Pulse, also einer Folge von Impulsen geringer Dauer) von der Resonatorlänge ab: Bei einem Resonator mit einer Länge von einem halben Meter beträgt diese etwa 300 MHz - die Periodendauer entspricht einem Hin- und Herlaufen (Umlauf) des Impulses im Resonator. Die Spitzenleistung wird bei jedem Umlauf größer, die Impulsdauer bleibt von allein sehr gering. Aus solchen Puls-Lasern werden dann einzelne Impulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstärkt. Mit einigen weiteren Tricks gelingt es damit, Spitzenleistungen bis in den Petawatt-Bereich zu erzeugen, die nur noch im Vakuum übertragen und fokussiert werden können.

Die Gütemodulation (Q-switching) des Resonators mit akustooptischen Güteschaltern oder Pockelszellen sind weitere Techniken zur Erzeugung energiereicher Laserimpulse mit geringer Dauer.

Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. zu manipulieren (Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase, Zeit).

Lasertypen:
Laser werden meistens nach dem eingesetzten optisch aktiven Material kategorisiert und benannt.

Gas-Laser:
Entwicklung des Kohlenmonoxid-Lasers CO-EDL (Carbon Monoxide Electric Discharge Lasers) des Northrop Research and Technology Centers mit Unterstützung des Office of Naval Research der US Navy, 1968
Helium-Neon-LaserBei Gas-Lasern ist das aktive Medium gasförmig. Zumeist werden Gas-Laser elektrisch durch eine Gasentladung im aktiven Medium selbst gepumpt.

Eine Sonderform sind die chemisch gepumpten Laser. Hier erfolgt das Pumpen durch eine chemische Reaktion im bzw. des aktiven Mediums. Das Gas ist nach der Reaktion verbraucht und kann dementsprechend nur einmal verwendet werden. Chemische Laser sind für transportable Hochleistungsanwendungen geeignet, sie haben fast ausschließlich im militärischen Bereich Bedeutung.
- HCl-Laser
- Iod-Laser

Farbstoff-Laser:
Bei diesem Lasertyp ist ein organischer Farbstoff in alkoholischer Lösung (oft Methanol oder Ethanol) das aktive Medium. Die Farbstofflösung wird dabei ständig umgepumpt, um ein Ausbleichen (photochemische Degeneration) zu vermeiden.

Beispiele für Farbstoffe:
- Stilbene - Klasse von Farbstoffen im blauen Spektralbereich
- Cumarine - Klasse von Farbstoffen im blauen bis grün-gelben Spektralbereich
- Rhodamine - Klasse von Farbstoffen im gelben bis orange-roten Spektralbereich
- DCM - Roter Farbstoff
- LDS - Klasse von Farbstoffen im IR-Bereich

Farbstoff-Laser werden im Allgemeinen durch andere Laser gepumpt. Dabei nimmt man einen Leistungsverlust durch den geringen Wirkungsgrad des Farbstoff-Lasers in Kauf, um andere Wellenlängen zu erzeugen. Gepumpt werden kann sowohl kontinuierlich (kurz cw für engl. continuous wave) als auch gepulst.

Festkörper-Laser:
Der Festkörper-Laser war der erste Lasertyp; Maiman entwickelte im Jahre 1960 den Rubin-Laser.

Bei Festkörper-Lasern wird ein Trägerwerkstoff bzw. Wirtskristall mit Ionen eines fremden Stoffes dotiert. Diese Ionen bilden, eingebettet im Wirtsmaterial, das eigentliche aktive Medium. Die Laserübergänge der Ionen sind innerhalb des d-Orbitals. Diese Orbitale sind nicht an chemischen Bindungen beteiligt. Das Trägermaterial (Wirtskristall, Glas) nimmt daher nur geringen Einfluss auf die Eigenschaften der Ionen.

Festkörper-Laser werden nach der Art und Form des Wirtsmaterials und den Dotierungselementen unterschieden.

Formen des aktiven Mediums:
- Stab-Laser
- Mikrokristall-Laser
- Slab-Laser
- Faser-Laser
- Scheiben-Laser

Farbzentren-Laser:
Wie bei dem Festkörper-Laser handelt es sich bei dem Farbzentren-Laser um einen Laser, bei dem Defekte (Fremdionen, Gitterfehler, Ladungen) in einen Trägerkristall eingebettet sind. Die Laserübergänge bei dem Farbzentren-Laser werden aber durch die Wechselwirkung der Störstellen mit dem Gitter erzeugt.

Beispiele:
- Lithium-Fehlstellen in Lithiumfluorid
- Fehlstellen in Natriumchlorid
- weitere Kombinationen, z. B. KCI:Li KCl:Na, RbCl:Li
- Farbzentren-Laser erzeugen nur geringe Leistungen von typ. unter 100 mW.

Halbleiter-Laser:
Beim Halbleiter-Laser werden stromdurchflossene pn-Übergänge im Halbleiter zur Besetzungsinversion verwendet.

Laserdioden sind direkt elektrisch gepumpte Laser. Die Leistung von Laserdioden mit guter Strahlqualität (M²<1,5) beträgt weniger als ein Watt. Multimode-Dioden erreichen bei schlechterer Strahlqualität (1,5<M²<100) Leistungen bis 10 W.

Mehrere Einzeldioden können in einem schmalen Chip (ca. 0,1 × 1 × 10 mm) nebeneinander integriert sein. Diese sogenannten Barren (engl. bar) liefern, auf eine Wärmesenke montiert, bis über 50 Watt (Barren mit über hundert Watt kontinuierlicher Ausgangsleistung sind in der Erprobung, Stand Januar 2007). Die Einzeldioden sind dabei elektrisch parallel geschaltet. Den montierten Barren nennt man auch "submount".

Durch Kopplung vieler, in einem sogenannten stack (Stapel) untergebrachter Barren bzw. submounts werden Leistungen im kW-Bereich bei entsprechend schlechter Strahlqualität erreicht (M²>100).

Bis zu 6 Stapel kann man durch verschiedene Wellenlängen (üblich bis 3) und Polarisationsrichtungen verlustarm ohne Verschlechterung der Strahlqualität optisch addieren. Damit erreicht man Leistungen im zweistelligen kW-Bereich.

Zum optischen Pumpen von Festkörper-Lasern durch Laserdioden muss die Pumpwellenlänge exakt getroffen werden, daher ist hierbei keine Wellenlängenkopplung möglich. Die Dioden-Laser müssen jedoch hierzu ohnehin nicht zu Strahlen mit hoher Leistungsdichte zusammengefasst werden.

Weitere Halbleiter-Laser sind:

Optisch gepumpte Halbleiter-Laser, auch Halbleiter-Scheiben-Laser
Quantenkaskaden-Laser
Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) (sowohl optisch als auch elektrisch gepumpt)
Abstimmbarer Laser (Tunable Laser Source, TLS) mit veränderbarer Wellenlänge

Freie-Elektronen-Laser (FEL).
Der Freie-Elektronen-Laser ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die gerichtete Strahlung (verschiedenste Wellenlängen von Mikrowellen bis in den Röntgenbereich, sehr hohe Brillanz) aus der Energie eines Elektronenstrahles erzeugt. Aufgrund der Kohärenz (meistens nur örtliche Kohärenz) der Strahlung wird der FEL als Laser bezeichnet. Im eigentlichen Sinne ist er jedoch kein Laser, da die Strahlung nicht durch stimulierte Emission erzeugt wird.

Freie-Elektronen-Laser besitzen außer im IR-Bereich oft keinen Resonator.

Laser-Resonatoren:
Laser-Resonatoren werden bei Lasergeräten verwendet, um den Strahl mehrfach hin und her durch das verstärkende aktive Medium laufen zu lassen und so eine ausreichende Verstärkung zur Selbsterregung zu erreichen. Aktive gepumpte Medien ohne Resonator können als Lichtverstärker dienen; bei sehr hoher Verstärkung pro Länge tritt jedoch auch hier spontan Laser-Strahlung auf (sog. Superstrahler, z. B. der Stickstoff-Laser).
Ein Laser-Resonator besteht prinzipiell aus zwei Spiegeln, zwischen denen die Strahlung reflektiert wird, so dass sich der Weg durch das Lasermedium verlängert. Dadurch kann ein Photon sehr oft stimulierte Emission hervorrufen. Im Resonator werden nur bestimmte Frequenzen verstärkt, die die Resonanzbedingung erfüllen. Alle anderen Frequenzen werden durch destruktive Interferenz ausgelöscht.

Die Güte des Resonators (d. h. das Verhältnis zwischen hin- und herreflektierter Strahlung zu austretender Strahlung) muss bei gering verstärkenden Medien besonders hoch sein. Ein Beispiel hierfür ist der Helium-Neon-Laser.
Die Resonatorgüte kann oft mittels in ihm befindlicher optischer Komponenten zeitabhängig, aber auch hinsichtlich der Wellenlänge und des lateralen Strahlprofiles beeinflusst werden, um eine gute Strahlqualität, Frequenzkonstanz und Kohärenz sowie Impulsformung des Laserstrahls zu erzielen. Solche Komponenten sind z. B. Blenden, optische Schalter oder frequenzselektive Endspiegel. So kann z. B. beim Argon-Laser durch Wahl des dichroitischen Endspiegels das Anschwingen nur einer der mehreren möglichen Laser-Emissionswellenlängen erreicht werden.

Resonatortypen:
Bei den Resonatoren unterscheidet man grundsätzlich zwei verschiedene Arten, die unterschiedliche Vor- und Nachteile besitzen.

Stabile Resonatoren:
Ein Resonator heißt optisch stabil, wenn ein paraxialer Strahl selbst nach beliebig vielen Reflexionen den Resonator nicht verlässt.

Vorteile: gute Strahlqualität durch geringe Beugungen innerhalb des Resonators
Nachteil: schlechte Ausnutzung des Lasermediums

Instabile Resonatoren:
Vorteile: Gute Ausnutzung des Lasermediums, höhere Effizienz, gleichmäßigere thermische Belastung des Lasermediums und der Resonatorspiegel
Nachteil: schlechtere Strahlqualität
Daher werden sie meistens in Lasern verwendet, die eine hohe Verstärkung pro Resonatorumlauf besitzen und bei denen vorrangig hohe Ausgangsleistung und weniger die Strahlqualität maßgebend sind.

Longitudinale Moden:
Unterschiedliche Schwingungen werden Moden oder auch Schwingungsmoden genannt. Longitudinal bezeichnet die Ausbreitungsrichtung der Schwingung, die in diesem Fall der Richtung des Strahls entspricht. Bildlich ausgedrückt handelt es sich dabei um Intensitätsberge und -täler im Abstand einer halben Wellenlänge. Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte Wellenlängen und deren Vielfache besonders verstärkt. Das Bild zeigt die Intensitätsverteilung rund um den Grundmode (angegeben als mittlere Intensität in Abhängigkeit von der Frequenz ?0).

Durch gaußförmige Dopplerverbreiterung der an sich scharfen Emissionslinie entsteht die gaußförmige Einhüllende. Auf Grund obiger Resonatoreigenschaft (und der wieder anschließenden Dopplerverbreiterung) werden mehrere Teillinien der Emissionslinie des aktiven Mediums im Resonator verstärkt. Die einzelnen im Resonator verstärkten Teillinien haben ein Lorentz-Profil mit sehr geringen Linienbreiten wegen der großen Länge der Wellenzüge im Resonator und da bei der Resonanz Störeffekte wie der Doppler-Effekt in den Hintergrund treten. Somit erhält man nebenstehendes Spektrum mit mehreren Lorentz-Kurven (den so genannten Lasermoden) mit einer gaußförmigen Einhüllenden. Da jedoch eine Mindestintensität nötig ist, damit im Resonator noch eine Verstärkung stattfinden kann, erhält man nur eine begrenzte Anzahl Moden, da Moden, die zu weit vom Linienschwerpunkt entfernt sind, zu wenig intensiv sind um noch verstärkt zu werden.

Der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden ist:

In vielen Anwendungen sind mehrere longitudinale Moden unerwünscht. Eine Verkürzung der Resonatorlänge, um nur einen Mode zu erzeugen, macht aber meist keinen Sinn, da dadurch nicht die gewünschte Lichtleistung erzielt werden kann. Man behilft sich indem im Resonator ein sogennanntes Etalon eingebracht wird. Das Etalon stellt im Prinzip einen "Resonator im Resonator" dar, welcher nur Wellen des gewünschten Moden verstärkt, andere Moden aber unterdrückt. Man spricht in diesen Fall von Monomode-Lasern (im Gegensatz zu Multimode-Lasern).

Transversale Moden:
Als transversale Moden bezeichnet man die Schwingungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bildet sich also ein Mode aus, der nicht den Raum senkrecht zu den Resonatorspiegeln ausfüllt, sondern etwas schräg verläuft, so wird der Licht- und Resonatorweg länger, und die Frequenz verschiebt sich etwas. Dieses führt einerseits zum Konkurrieren um angeregte Mediumsmoleküle zwischen den verschiedenen Frequenzen (Mode Competition), andererseits können sich so stehende Wellen ausbilden, die Knotenlinien innerhalb des Laserprofils aufweisen. Ob und wie sie in einem Laserstrahl vorkommen, lässt sich durch optische Bauelemente wie Polarisationsfilter oder diffraktive optische Elemente bestimmen.

Im Querschnitt hat die Strahlintensität im Idealfall ein Gauß-Profil; dieser Mode wird als TEM_00-Mode bezeichnet. Es können jedoch auch andere Transversalmoden angeregt werden, die ein anderes Profil zeigen; abhängig von der Anzahl ihrer Knotenlinien in horizontale und vertikale Richtung werden sie als TEM_xy-Mode bezeichnet. Für diese Moden ist teilweise der Lichtweg durch den Resonator bis zum Ausgangspunkt anders, das heißt, die Resonatorlänge erscheint verändert. Dieses kann zu einer Verfälschung der Longitudinalmodenspektren führen, indem sich die Spektren verschiedener Transversalmoden überlagern.

Es kann sich auch ein Zustand einstellen, bei dem der Strahl zweimal durch den Resonator hin- und herlaufen muss, um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen. Dadurch wird die effektive Resonatorlänge verdoppelt, und die Modenabstände werden auf halbiert.

Anwendungen von Lasern:
Materialbearbeitung.
Laser lassen sich in allen Bereichen der Fertigungstechnik nach DIN 8580 für verschiedene Fertigungsverfahren einsetzen:

Urformen:
- Selektives Lasersintern oder Stereolithographie (Rapid Prototyping-Verfahren).
Umformen:
- Laserstrahlbiegen von Metallen und von Silizium.
- Laserunterstütztes Biegen: Erhöhte Bruchdehnung durch vorherige Behandlung mit Laser.
Trennen:
- Laserschneiden verschiedenster Materialien wie Holz, Kunststoff, Papier, Metalle, auch mittels Rohr-Laser
- Laserbohren: Mikro-Laserbohren (z. B. Trepanieren) (für Effusionskühlung) in Turbinenschaufeln, Bohren von Microvias in Leiterplatten.
- Abtragen: Beseitigen von Material durch Schmelzen, Verdampfen oder bis zum Plasma erhitzen; oder auch photochemischer Abbau von Substanzen (Laserablation).
- Gravur Verbreitetes Verfahren für die Beschriftung/Gravur von Glasgefäßen in der Serienfertigung.
- Lasertrimmen In der Mikroelektronik verwendetes Verfahren zum Abgleich von Widerständen.
Fügen:
- Laserstrahlschweißen und -löten sowohl im Makrobereich wie der Automobilindustrie, dem Flugzeugbau, dem Maschinenbau oder im Schiffbau, aber auch im Mikrobereich wie der Elektronikfertigung. Neben Metallen können auch viele andere Werkstoffe wie Kunststoffe, Gläser, Silizium mit diesem Verfahren verschweißt und verschmolzen werden.
Beschichten:
- Laserstrahlpulverbeschichten und Pulsed Laser Deposition.
- Laserauftragschweißen: Reparaturverfahren durch Aufschmelzen/Einschweißen von Metallpulver.
Stoffeigenschaften ändern:
- Laserstrahlhärten: Randschichtenhärtung von Metallen.
- Isotopentrennung: Hier wird die unterschiedliche Atom- oder Molekülresonanz der verschiedenen Isotope oder deren organischer Verbindungen ausgenutzt, um sie mittels darauf abgestimmter Laser zu separieren.

Drucktechnik:
- Belichten der Trommel in Laserdruckern, belichten oder gravieren der Druckwalzen von Druckmaschinen
- Beschriften mit Laser Beschriften/bedrucken von Papier, Pappe, Holz, Leder, Kunststoffe und Metall durch Schmoren. Auch Farbabtrag von beschichteten Gegenständen; Farbumschlag auf Kunststoffen, Anlassbeschriftung auf Metall.

Steuerungstechnik:
- Laser-Interferometer zur hochgenauen Positionsbestimmung, z. B. in Justier- und Belichtungsautomaten der Mikroelektronik
- Lasergeführte AGV Spurführung für fahrerlose Transportsysteme

Medizin:
- In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsächlich in der Diagnose eingesetzt, z. B. bei der Messung von Blutstrom und -zirkulation.
- In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose eingesetzt, z. B. in der optischen Kohärenztomografie (OCT). In der Therapie kann mit höherer Leistung eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund verschweißt werden. Außerdem kann Fehlsichtigkeit durch Abtragung von Hornhautoberfläche korrigiert werden (z. B. LASIK-Operation, Femto Lasik).
- In der Chirurgie, Gefäßchirurgie und Phlebologie wird der Laser hauptsächlich im Bereich Endoskopie oder als Laserskalpell eingesetzt. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung von defekten Venen (Krampfadern). Hierbei kann der Laser endovenös (Laser-Lichtleiter wird in die Vene eingebracht) angewendet werden. Dieses Laser-Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch "Stripping". Die Laser-Behandlung ist in vielen Fällen schonender und ambulant durchführbar.
- In der Dermatologie lassen sich mit Laser-Strahlen Schnitte und Verödungen durchführen. Blutgefäße können durch Laser bestimmter Wellenlängen (Farbstoff-Laser; Neodym:YAG-Laser; KTP-Laser; Krypton-Laser; Kupferdampf-Laser) koaguliert werden. Pigmentflecken können mit Hilfe abladierender (= schälender) Laser (Erbium:YAG; CO2) abgetragen oder mittels gütegeschalteter Neodym:YAG-Laser selektiv zerstört werden. Subkutanes (= unter der Haut gelegenes) Pigment kann mit Hilfe eines gütegeschalteten (ultrakurz gepulsten) Lasers (Neodym; Rubin; Alexandrit) zerstört und damit entfernt werden, ohne die Hautoberfläche selber zu verletzen. Durch Verwendung von langgepulsten (5-500 ms Pulsdauer) Alexandrit-, Rubin-, Neodym- oder Dioden-Lasern können Haarwurzeln durch die selektive Erhitzung pigmentierter Haare dauerhaft zerstört werden. Der Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 308 nm wird zur gezielten Behandlung entzündlicher Hauterkrankungen, vorrangig der Psoriasis (Schuppenflechte) eingesetzt. Oberflächliche Unebenheiten der Haut (Knötchen, Fältchen) werden mit ultragepulsten CO2- oder Erbium:YAG-Lasern zur kosmetischen Verbesserung des Hautbildes geglättet (Resurfacing). Durch Laserlicht können auch subkutane Gewebe aufgewärmt werden, was in erster Linie dem Kollagenaufbau zur Straffung der Haut dienen soll (Subsurfacing). Vom Laser sind sogenannte Blitzlampen abzutrennen, die kein monochromatisches, kohärentes Licht emittieren. Ebenso gibt es unterschiedliche Diagnosetechniken der Konfokalen Mikroskopie, sowie der optischen Kohärenztomografie (OCT). Diese Techniken spielen aber in der Routinemedizin keine Rolle, sondern dienen eher wissenschaftlichen Fragestellungen.
- In der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde werden Laser zur Abtragung von Veränderungen an den Stimmbändern bei larynx-mikroskopischen Eingriffen verwendet, außerdem zur Teilabtragung der Mandeln (Tonsillotomie) und von Tumoren in Mund und Rachen (z. B. beim Zungenkarzinom). Bei der Operation wegen Otosklerose wird der Laser zur Perforation der Steigbügel-Fußplatte verwendet.
- In der Zahnmedizin kann der Laser z. B. Erbium:YAG, den Bohrer ersetzen, oder für Zahnweißung (Bleaching) verwendet werden. Dioden-Laser werden in der Zahnmedizin für chirurgische Eingriffe verwendet, z. B. Lippenbändchenentfernung. Der Vorteil des Dioden-Laser gegenüber der konventionellen Methode (Skalpell) ist die, das der Patient weniger bis gar keine Schmerzen mehr hat, es nicht mehr blutet, da die Wunde verödet ist und die operierte Stelle gleichzeitig dekontaminiert (keimfrei) wird.
- In der Krebstherapie wird er für die photodynamische Therapie eingesetzt.
- In der Urologie zur Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen und der Prostata (Greenlight Laser).
- Die Lasermikrodissektion ist ein Verfahren zur Gewinnung von kleinsten Proben aus Gewebsschnitten oder Zellkulturen.
Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen u. a. die Versuche, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen.
Alternativmediziner benutzen sogenannte Soft-Lasergeräte.

Messtechnik.
Eine Reihe von Messgeräten sind auf Laserbasis konstruiert:

- Durch Interferenzen oder das Kohärenzradar sind Präzisionsmessungen möglich.
- Beim Tunnelbau kann durch Laser-Strahlen ein gerader Tunnelvortrieb erreicht werden.
- Im Bauwesen wird er zum Nivellieren genutzt.
- In der Verkehrsüberwachung werden Laserpistolen von der Polizei (Exekutive) zur Geschwindigkeitsmessung von Kraftfahrzeugen verwendet.
- In Barcodelesegeräten werden die Laser zum Abtasten von Barcodes verwendet. Dabei wird der Strahl über ein Spiegelrad gleichmäßig über den Barcode linienförmig geführt. Der reflektierte Strahl wird über einen Fototransistor als Hell-dunkel-Sequenz ausgewertet.
- In Brandmeldern (Lasermelder)
Schwingungsanalyse und Formerfassung durch elektronische Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI)
- Lasermikrofon: Ein Lasermikrofon ist ein Gerät zur Aufnahme von Schall, das einen Laser zur Abstandsmessung verwendet.
- Lidar: Lidar steht für "light detection and ranging" und ist eine dem Radar ("radiowave detection and ranging") verwandte Methode zur Fernmessung atmosphärischer Parameter.
- Laserextensometer und Laser Doppler Extensometer zur berührungsfreien Messung von Verformungen in der Materialprüfung.
- Laser Speckle Extensometer zur markierungslosen berührungsfreien Messung von Verformungen in der Materialprüfung.
- Laser-Doppler-Anemometer und Particle-Image-Velocimetry zur berührungsfreien Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten.
- Laser-Lichtschnittsensor zur Messung von Höhenprofilen entlang einer Linie.
Positionsmessung - Positionsermittlung des Laserstrahlschwerpunktes mit Hilfe eines Position Sensitive Device (PSD).

Wissenschaft.
- Vermessungen der Erde durch Satelliten, Messung von tektonischen Verschiebungen
- Laserkreisel - Ein optisches Messgerät für Drehbewegungen
- Spektroskopie:
Vermessung atomarer Energieniveaus (Atomspektroskopie/Laserspektroskopie)
- In der Chemie ist durch Infrarot- und Ramanspektroskopie die Identifizierung und Analyse von Molekülen möglich.
Zeitaufgelöste Spektroskope mit ultrakurzen Laser-Impulsen im Pikosekunden-Bereich, z. B. zeitlicher Ablauf von chemischen Reaktionen
- Nichtlineare Optik: z. B. Frequenzkonversion
- In den Biowissenschaften: Durch Laserlicht angeregte Fluoreszenzfarbstofffe und die Benutzung eines Konfokalmikroskops oder eines Zwei-Photonen-Mikroskops ermöglichen es, Zellen und subzelluläre Strukturen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung im lebenden Gewebe (im Gewebeschnitt oder in vivo) zu beobachten.
- In der Zellbiologie als Optische Pinzette
- Laserkühlung und Atom- bzw. Ionenfallen
- Nachweis von Gravitationswellen mittels besonders großer Laserinterferometer.
- Bestimmung von Windgeschwindigkeiten und/oder Teilchenkonzentration in der Erdatmosphäre.
- Ein neues Forschungsfeld ist die Wechselwirkung von Laserlicht und Feststoffen. So ist es kürzlich gelungen, ein spezielles Kristallgittermaterial durch Bestrahlung mit Laserlicht durchsichtig zu machen. (Forschungsgruppe Chris Phillips am Imperial College London). Möglich wird dies durch Interferenzwechselwirkung mit der Kristallstruktur des Mediums. Es besteht die Aussicht, in der Zukunft weitere bis beliebige Materialien durch Laserlicht durchsichtig werden zu lassen.

Holografie.
- Als Kunstobjekte
- Zur Datenspeicherung
- Zur Bildspeicherung

Datentechnik.
- Datenspeicherung, z. B. CD-ROM, DVD, Blu-Ray
- Datenübertragung, z. B. mit Lichtwellenleitern
- Datenfernübertragung, Laser-WLAN
- Laserdrucker
- Laserscanning, das Abtasten zwei- oder dreidimensionaler Oberflächen

Mikro-Fotolithografie.
Mit Lasern können Strukturen im µm- und Sub-µm-Bereich auf fotosensitive Materialien geschrieben werden. Mittels mikrolithographischer Systeme werden im Direktschreibverfahren hochaufgelöste Vorlagen (Masken) für verschiedenste Anwendungen erzeugt, die dann z. B. mittels breitbandiger Hochleistungs-Laser in der Produktion auf die endgültigen Materialien umkopiert werden. Andere Anwendungen schließen das Direktschreiben von Strukturen auf Silizium-Wafern in niedrigen Stückzahlen oder das Schreiben von Strukturen auf fotoempfindlichen Filmen (z. B. Dehnungssensoren) ein.

- Bildschirmmasken
- Leiterplatten
- ICs
- Sensoren
- u. v. m.

Militärtechnik.
Markierung von Zielen für selbststeuernde Waffen und -Lasergelenkte Bomben.
Entfernungsmessung mittels der Lasermesseinheit für z. B. Panzer
Erste Versuche von Lasergewehren, die den Gegner z. B. erblinden lassen
Erste Hochenergie-Laser bodengestützt, auf Flugzeugen (Boeing AL-1) oder Schiffen zur Raketenabwehr, so genannte Laserkanonen gibt es bereits. Sie sind einfache Laser mit hoher Energie. Der Betrieb ist noch sehr aufwendig und teuer, und die Waffen haben eine große Gefahrenzone, in der sich beim Betrieb keine Menschen aufhalten dürfen.

Projektierte Lasersatelliten zur Raketenabwehr mittels Hochenergie-Lasern (vgl. chemische Laser, MIRACL, Röntgen-Laser, Weltraumwaffe)
Laser als Zielhilfen an Schusswaffen

Unterhaltung/Medien.
- CD-Spieler, DVD-Spieler
- Laserpointer
- Disco
- Lasershows (Events)
- Laserharfe
- Planetarien
ZULIP, Laservideoprojektor (Rechteckiges Bild), z. B. Planetarium Hamburg
ADLIP, kuppelfüllende Projektionstechnik durch Einsatz mehrerer Laservideoprojektoren, z. B. im Planetarium Jena
Tridome, kuppelfüllende Projektionstechnik durch Einsatz mehrerer Vektor-Laserprojektoren, z. B. Planetarium Hamburg

Laser-Klassen.
Lasergeräte werden entsprechend der schädlichen biologischen Wirkung von Laser-Strahlung in Klassen eingeteilt. Maßgeblich für die nationalen und internationalen Laserklassen ist dabei die Definition von Grenzwerten, bei denen keine Schädigung zu erwarten ist. Neben der amerikanischen ANSI-norm gibt die International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection Grenzwerte im Spektralbereich zwischen 400 und 1400 nm heraus.

Maßgeblich ist dabei bei nichtionisierender Strahlung die thermische Leistung pro Fläche sowie die spezifischen wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften des Gewebes (Haut sowie Retina, Hornhaut, Glaskörper und Linse des Auges).
Durch die Fokussierung der Augenlinse ist die Gefährlichkeit im sichtbaren und besonders im angrenzenden infraroten Bereich erhöht. Im Bereich ab etwa 1,5 µm Wellenlänge wird das Auge zunehmend intransparent, die Absorption findet bereits vor der Netzhaut statt. Im mittleren Infrarot ist das Auge vollständig intransparent und sämtliche Leistung wird bereits auf der Hornhaut absorbiert.
Die Haut und darunter liegendes Gewebe sind besonders im Bereich 1200 nm (Nahinfrarot) bis rot (700 nm) teiltransparent, sodass hier tiefreichende Schädigungen auftreten können, deren Entstehung aufgrund dort nicht vorhandenen Wärmeempfindens oft nicht bemerkt werden.
Auch Netzhautschäden durch Laser-Strahlung im Nahinfrarot werden oft nicht bemerkt und erst durch für entsprechende Arbeitsplätze vorgesehene ärztliche Augenuntersuchungen entdeckt.

Bei Wellenlängen unterhalb von etwa 400 nm werden organische Molekülbindungen zerstört, die Absorptionstiefe in Gewebe verlagert sich mit kürzerer Wellenlänge an die Oberfläche von Haut und Auge. Es treten auch bei geringen thermischen Leistungsdichten Linsen- und Hornhauttrübungen sowie Schädigungen der Haut vergleichbar einem Sonnenbrand auf. Dementsprechend sind die Grenzwerte der Leistungsdichte bei diesen kurzen Wellenlängen geringer als beispielsweise im mittleren Infrarot.

Die Klasseneinteilung von Lasergeräten und -anlagen erfolgt anhand maximal auftretender Leistungs- bzw. Energiedichten, je nachdem, ob es sich um kontinuierliche oder Impuls-Laser handelt. Dabei ist auch die Expositionsdauer und die Wellenlänge maßgebend.

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