Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

296 J. Bille
Beispiele für die Oxide sind Saphir, Granate und Aluminate. Das erste
Lasermaterial war der Saphir Al2O3 des Rubinlasers. Bei den Granaten
sind Y3Al5O15 (YAG = Yttrium-Aluminium-Granat), Gd3Ga5O12 (GGG
= Gadolinium-Gallium-Granat) und Gd3Sc2Ga3O12 (GSGG = Gadolinium-
Scandium-Gallium-Granat) bekannt, welche beim Neodymlaser eingesetzt
werden. Von den Aluminaten wird YAlO3 (YAlO) mit Nd, Er Mo oder Tm
dotiert und als Lasermedium verwendet. Außerdem werden Wolframate wie
Nd:CaWO4 und Beryllate wie Nd:La2Be2O3 (BEL) verwendet. Bei den Fluoriden
wurden insbesondere CaF2 und YLiF4 (YLF) untersucht und mit verschiedenen
Ionen dotiert, wie Nd, Ho und Er.
Bei einer speziellen Klasse von Festkörperlasern kann die Energie des
Übergangs in Photonen und Phononen, d.h. Gitterschwingungen, aufgeteilt
werden. Dieses ermöglicht bei diesen vibronischen Lasern eine breitbandige
kontinuierliche Abstimmung der Wellenlänge. Die wichtigsten Vertreter sind
der Alexandritlaser (BeAl2O4:Cr 3+ ), der Titan-Saphir-Laser (Al2O3:Ti 3+ ),
der Cr:KZnF3-Laser, der Smaragdlaser (Be3Al2Si6O18:Cr 3+ ) und andere.
Eine weitere Klasse der Festkörperlaser stellen die Farbzentrenlaser dar,
bei denen Alkalihalogenidkristalle mit Defekten, die eine Färbung der Kristalle
hervorrufen, verwendet werden.
Im Folgenden werden die wichtigsten kommerziellen Festkörperlaser diskutiert,
deren Wellenlängen im roten bis infraroten Spektralbereich zwischen 0,7
und 3 µm liegen. Im Kap. 14.4 werden der Nd:YLF-Pikosekundenlaser und der
Ti:Saphir-Femtosekundenlaser ausführlich behandelt.
14.2.1 Rubinlaser
Der Rubinlaser, historisch der erste Laser, benutzt als aktives Medium einen
synthetischen Rubinkristallstab. Dieser besteht aus Al2O3 (Saphir), welcher
mit Chrom dotiert ist (Al2O3:Cr 3+ ). Die Laserübergänge finden in inneren
Schalen des Cr 3+ -Ions statt. Die Anregung erfolgt optisch mittels einer Blitzlampe.
Der Rubinlaser ist ein Dreiniveausystem, was nachteilig ist, da etwa
50% der Atome angeregt werden müssen, ehe es zu einer Überbesetzung und
Lichtverstärkung kommt. Das verlangt eine hohe Pumpenergie, die in der
Praxis nur im Pulsbetrieb erreicht wird. Die Wellenlänge des Rubinlasers
(R1-Linie) beträgt 694,3 nm bei Zimmertemperatur.
In Abb. 14.13 ist links das Energieniveauschema (Dreiniveaulaser) des
Rubinlasers dargestellt. Rechts ist ein typischer Aufbau eines Rubinlasers –
entsprechend der erstmaligen Realisierung durch T. Maiman – wiedergegeben.
Der Rubinlaser kann ebenso wie andere Festkörperlaser in folgenden Betriebsarten
benutzt werden: Normalbetrieb, Q-Switch und Modenkopplung
(Tabelle 14.6). Im Normalbetrieb erfolgt die Emission eines Rubinlasers während
des Pumppulses (etwa 1 ms) nicht kontinuierlich, sondern mit starken
statistischen Intensitätsschwankungen oder Spikes.