Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

14 Lasersysteme 283
Abb. 14.4. Einige tiefliegende Vibrationsniveaus des CO2- und N2-Moleküls
Das obere Laserniveau (00 ◦ 1) entspricht der Energie der asymmetrischen
Streckschwingung, welche mit einem einzigen Quant (n3 = 1) der Energie hν3
angeregt ist. Die Anregung dieses Niveaus geschieht normalerweise in einer
Gasentladung, die neben CO2 auch N2 und He enthält. Es gibt aber auch andere
Anregungsarten wie beispielsweise beim gasdynamischen CO2-Laser. Die
angeregten CO2-Moleküle sammeln sich im langlebigen 00 ◦ 1-Niveau, dessen
Lebensdauer je nach Gasdruck, -temperatur und -zusammensetzung im Bereich
von einigen µs bis zu 1 ms liegt. Wie aus Abb. 14.4 hervorgeht, erfolgt die
Anregung der CO2-Moleküle nicht nur durch inelastische Stöße mit niederenergetischen
Elektronen in der Entladung, sondern auch durch Stöße 2. Art
mit schwingungsangeregten N2-Molekülen.
Aufgrund des Energieniveauschemas lässt sich für den CO2-Laser ein
Quantenwirkungsgrad von ca. 45% ableiten. In der Praxis werden dank den
günstigen Anregungsbedingungen totale Wirkungsgrade (optische/elektrische
Energie) von bis zu 30% erreicht, was im Vergleich zu anderen Lasertypen
einen erstaunlich hohen Wert darstellt.
Das Emissionsspektrum des CO2-Lasers besteht aus vielen Linien. Dies ist
auf die Aufspaltung der beteiligten Vibrationsniveaus in Rotationszustände
zurückzuführen, wie in Abb. 14.5 dargestellt. Die Rotationsniveaus werden
durch die Quantenzahl J charakterisiert, und die entsprechenden Rotationsenergien
sind näherungsweise gegeben durch
E(J) =hcBJ(J +1). (14.1)
Da das CO2-Molekül linear ist, ein Symmetriezentrum besitzt und die Spins
der 16 O-Atome Null sind, treten im Rotationsspektrum bei den symmetrischen
Vibrationsniveaus, z.B. (10 ◦ 0), nur gerade J auf bzw. nur ungerade
J bei den asymmetrischen Vibrationszuständen, z.B. (00 ◦ 1). Es gilt aber zu
beachten, dass bei Ersatz von einem der Sauerstoffatome durch ein anderes
Isotop alle J-Zustände im Rotationsspektrum vorkommen.