Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

14 Lasersysteme
J. Bille
14.1 Gaslaser
Bei dieser Laserkategorie liegt das aktive Medium in gas- oder dampfförmiger
Phase vor. Die meisten Gase, insbesondere Edelgase, eignen sich als Lasermedium.
Jedes von ihnen liefert mehrere Laserübergänge. So sind z.B. von Ne
über 180 Laserlinien bekannt. Die Emissionsbereiche erstrecken sich vom UVbis
in den Submillimeterwellenbereich. Die Gaslaser umfassen Neutralatom-
(z.B. HeNe, Metalldampf), Ionen- (z.B. Ar + ), Molekül- (z.B. CO2) und Excimerlaser
(z.B. KrF). Gaslaser besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die sie
für Anwendungen in Industrie, Forschung und Medizin besonders geeignet
machen. Die Anregung des aktiven Mediums in einem Gaslaser geschieht
gewöhnlich durch eine elektrische Entladung.
14.1.1 Helium-Neon-(HeNe-)Laser
Energieniveauschema und Laserprinzip. Der HeNe-Laser ist der typische
Vertreter der Neutralatomgaslaser. Er war der erste kontinuierliche Laser
wie auch der erste Gaslaser der Geschichte. Heute ist der HeNe-Laser vor
allem wegen der sichtbaren Emissionslinie bei 632,8 nm ein weit verbreiteter
Laser [8].
Abbildung 14.1 zeigt die Energieniveaus von He und Ne, die für die Laserprozesse
relevant sind. Lasertätigkeit geschieht zwischen Energieniveaus von
Ne, während He nur zur Unterstützung des Pumpprozesses beigemischt wird.
In einem Gasgemisch, welches typisch 1 mbar He und 0,1 mbar Ne enthält,
wird eine dc- (oder rf-)Entladung gezündet. Die energiereichen Entladungselektronen
regen die He-Atome in verschiedene angeregte Zustände an. In der
Zerfallskaskade sammeln sich die He-Atome in den metastabilen Zuständen
2 3 S und 2 1 S mit Lebensdauern von 10 −4 s und 5·10 −6 s. Da diese langlebigen
2 3 S und 2 1 S Zustände von He beinahe mit den 2s- und 3s-Zuständen von
Ne koinzidieren, können Ne-Atome in diese angeregten Zustände durch Stöße
zweiter Art angeregt werden. Die Energiedifferenz ∆E, z.B.∆E = 400 cm −1
im Fall des 2s-Niveaus, wird dabei in kinetische Energie der Atome nach dem
Stoß umgewandelt. Diese resonante Energieübertragung von He auf Ne ist der
Hauptpumpmechanismus im HeNe-System, obwohl auch direkte Elektron-
Ne-Stöße zum Pumpen beitragen.