In Einzelmeldungen und zuletzt im Leitartikel in Heft 8 dieses Jahres wiesen wir auf die zunehmende Bedeutung der Lasertechnik hin. Um unseren Lesern einen Überblick zu geben, begannen wir in Heft 7, Seite 209, einen zusammen- fassenden Beitrag über Grundlagen, Wirkungsmeise und Anwendung des Lasers.

In dem 1. Teil schilderte der Autor die geschichtliche Entwick- lung, das Prinzip der kohärenten Strahlung und die Voraus- setzungen für die Laserwirkung. Im folgenden 2. Teil setzen wir die Beschreibung des grundsätzlichen Aufbaus eines Lasers fort. Der 3. Teil wird wegen der Hannover-Bericht- erstattung erst im Juli 1966 erscheinen.

Die unten abgebildete wendelförmige Hochspannungs-Xenon-Blitzröhre ist besonders für den Impulsbetrieb von Rubinlasern bestimmt.

Zwischen den Schenkeln der Röhre ist rechts ein Rubinstab zu erkennen. Die Blitzröhre arbeitet in einer Schaltung gemäß Bild 14. Anode und Katode der Röhre sind mit dem Kondensator C 1 verbunden.

Der Kondensator entlädt sich über die Blitzröhre, sobald über den Zündtransformator ein äußerer Zündimpuls von etwa 8 kV und 2 mWsec an die Zündlitze und Zündwicklung der Röhre gelangt. Die Mindestanodenspannung der Röhre muß dabei 2,5 kV betragen, der Höchstwert kann 5 kV sein.

Die Röhre "leistet je Blitz eine Arbeit" von 10.000 Wsec. (Das ist sehr unglücklich fomuliert.) Besser : Die Röhre gibt je Blitz eine Leistung von 10.000 Wsec ab. Als höchste Blitzzahl ist nach jeweils vier Minuten ein Blitz möglich.

Links über der wendelförmigen Blitzröhre in Bild 13 ist eine Xenon-Blitzröhre in abgewinkelter Form zu sehen, rechts daneben eine Xenon-Blitzröhre in Stabform. Beide Röhren sind für eine Blitzarbeit von 500 Wsec vorgesehen.

Eine Schaltung ist in Bild 15 wiedergegeben. Der Zündkondensator C 2 lädt sich zunächst auf die über den Spannungsteiler R 1 - R 2 am Teilwiderstand R 2 abgegriffenen Spannung auf. Nach Schließen der Auslösetaste T entlädt sich der Kondensator C 2 über die Primärwicklung des Zündtransformators Z. Der auf diese Weise an die Zündwicklung der Röhre gelangende Impuls bewirkt, daß die im Kondensator C1 gespeicherte Energie sich über die Blitzröhre entlädt.
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Die kleine Impulsröhre oben rechts in Bild 13 besitzt eine Quecksilber- Thallium- Füllung. Sie weist eine besonders leistungsstarke Ausstrahlung im grünen Spektralbereich auf (vgl. Bild 16).
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Die Lampe kann mit der sehr hohen Dauerleistung von 600W bis 1200W betrieben werden. Dabei ist ein Betrieb mit einer Blitzfolge bis zu 100 Hz möglich. Da die hohe Energie in den sehr kleinen Abmessungen konzentriert ist, muß die Röhre mit Wasser gekühlt werden. Zu diesem Zweck montiert man die Röhre in ein Quarzrohr, durch das wenigstens vier Liter Wasser je Minute geleitet werden.

Der lichttechnische Wirkungsgrad der Anordnungen dieser Blitzröhren in den verschiedenen Lasergeräten hängt nicht nur von der jeweiligen Leistung ab, sondern auch von der Art, wie die Röhre eingebaut ist, und davon, ob sie außen noch von einer Hülle mit großem Reflexionsvermögen umgeben ist. Mit speziellen Reflektoren und guter Justierung der Lampe und des Laserstabes läßt sich der Wirkungsgrad gegenüber einer Anordnung ohne diese Vorkehrungen wesentlich verbessern.
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Festkörperlaser nennt man jene Laser, die als aktives Material (als Resonator) feste Körper verwenden. Nicht jedes Material ist als Resonator geeignet.

Wie Eingangs aufgezeigt, eignen sich nur Materialien, deren Atome oder Ionen Energie-Niveaus aufweisen, die mit Hilfe eines Pumpvorgangs eine induzierte Emission von Strahlung ermöglichen.

Dazu müssen die Trägermaterialien ganz bestimmte Stoffe enthalten, die die Voraussetzung für eine "Laserwirkung" (das ist die Resonanz) schaffen können. Von allen Materialien, die bisher als Resonatoren für Festkörperlaser entwickelt und verwendet wurden, ist Rubin am besten geeignet. (Stand 1966 !!!)

Schon bei dem ersten Versuch, mit solch einem Resonator eine kohärente Strahlung zu erzeugen, verwendete Dr. Th. Maiman im Jahre 1960 als Material Rubin. Der von ihm gewählte Rubin, ein Aluminium-Oxyd (AL2O3), enthielt als aktives Material einen geringen Zusatz (Dotierung) an Chrom [9].

Inzwischen sind viele andere gleichwertige und bessere Lasermaterialien (Resonatoren) entdeckt und erprobt worden. Die aktiven Materialien sind meist Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden (Tabelle 3).

Diese seltenen Erden - wie Samarium, Neodym usw. - können außer im Rubin auch in Gläser (Glasröhren) eingebaut werden.

Hier soll darauf verzichtet werden, eine tabellarische Aufstellung der „erfolgreichen Laser- materialien" (Resonatoren) anzugeben, die doch unvollständig sein müßte, weil immer neue hinzukommen. Derartige Tabellen führen heute schon über sechzig verschiedene Materialien auf. (Stand 1966)
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Ergänzend hierzu werden im folgenden einige Zahlenwerte und Besonderheiten von praktisch ausgeführten Laseranordnungen aufgezeigt:

Einem Zeiss Informationsblatt ist zu entnehmen, daß es sich bei den von der Firma Carl Zeiss, Oberkochen/Württ., lieferbaren Rubinstäben von 42mm Länge und 5mm Durchmesser zum Beispiel um thermisch nachbehandelte Rubinkristalle handelt.

Ihre Endflächen sind mit 15 dielektrischen Schichten von je lambda/4 Dicke versehen, die abwechselnd hohe und niedrige Brechungsindizes besitzen. Hierdurch wird bei lambda = 694,3nm ein Reflexionsgrad zwischen 98% und 99% erreicht.

Gleichzeitig gewinnt man auf diese Weise eine größtmögliche Energieausbeute. In neuerer Zeit (um 1966) versieht man nur eine Endfläche des Resonators mit Schichten für einen hohen Reflexionsgrad: denn die andere Fläche soll zur besseren Laserlichtausbeute (vgl. Bild 8) eine größere Durchlässigkeit aufweisen. Die dielektrischen Schichten der zweiten Fläche werden deshalb für ein geringeres Reflexionsvermögen ausgelegt und auf eine größere Durchlässigkeit abgestimmt.

Das Bild 22 zeigt die Einzelteile einer Rubinlaser- anordnung der Firma Philips.

• A = elliptischer Reflektorblock mit Rückscheibe/Halter
• B = vordere Abdeckscheibe,
• C = Vakuumglas zur Kühlung,
• D = Rubinstab mit Halter,
• F = Quecksiiber-Thallium-Impulslampe mit Kühlrohr

Die Besonderheiten des Aufbaus sind in Bild 23 zu erkennen. In einem Gehäuseblock mit elliptischem Reflektor befindet sich in dessen oberem Brennpunkt eine Impulsröhre vom Typ 126158 und in deren unterem Brennpunkt ein Schutzrohr aus Metall.

In das Schutzrohr wird der Laserstab (der Resonator ist ein Rubinkristall) eingeführt. Das Schutzrohr wird nach hinten herausgezogen, sobald die Pumplichtlampe gezündet hat.

Diese Laseranordnung ist für eine Leistungsaufnahme von 800W bis 1.200W ausgelegt.

Wie das Bild 24 zeigt, liegt bei dem zusammengebauten Laser die Austrittsöffnung für das Laserlicht vorn.

Rückseitig befindet sich die Luftaustrittsöffnung des Kühlmantels für den Laserstab (Resonator), denn in dieser Anordnung wird sowohl der Laserstab (Resonator) als auch die Impulslampe gekühlt: der Laserstab (Resonator) mit Luft, die Impulslampe mit Wasser.
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Man kann nun die Ausgangsenergie eines Impulslasers dadurch erhöhen, daß man zunächst viel Energie - vereinfacht ausgedrückt - in den Laserstab (Resonator) hineinpumpt, ohne ihm die Möglichkeit zur Laserwirkung, d. h. zur Aufschaukelung (Resonanz) der Laserstrahlung zu geben. Dabei fehlt gewissermaßen noch die Rückkopplung im Resonanzraum.

Ist danach plötzlich die Rückkopplungsbedingung im Resonanzraum erfüllt, dann erfolgt nahezu schlagartig die Laserwirkung, und ein äußerst energiereicher Impuls einer Laserstrahlung, ein sogenannter Riesenpuls, tritt durch den durchlässigen Spiegel nach außen.

Riesenpulse lassen sich auf verschiedene Weise erzielen. Allen Methoden gemeinsam ist ein steuerbares Tor, das zwischen den Laserstab (Resonator) und dem - nun meist außen montierten - durchlässigen Spiegel eingefügt ist. Bei geschlossenem Tor kann sich während des Pumpvorgangs zwischen den beiden Spiegeln kein Laserstrahl bilden, weil ja der durchlässige Spiegel von dem geschlossenem Tor abgedeckt ist.

Bei geöffnetem Tor dagegen sind wieder die Verhältnisse im Resonanzraum gegeben wie bei einem normalen Rubinlaser. Als Tor verwendet man eine Kerrzelle, einen Drehspiegel oder einen Absorber. Die Kerrzelle ist ein Gerät, das den elektrooptischen Kerreffekt ausnutzt und mit Hilfe von elektrischen Spannungsänderungen Änderungen der Lichtintensität des Lichtstrahles erzielt, der durch die Kerrzelle geleitet wird {Bild 25).

Die Kerrzelle ist über eine elektronische Zeitsteuerung mit dem Pumpvorgang verbunden; während des Pumpvorgangs bleibt sie geschlossen. Erst nachdem der Laserkristall (der Resonator) in einem bestimmten Maß überpumpt ist, wird die Kerrzelle geöffnet. Überpumpt bedeutet hierbei, daß soviel Energie von der Pumplichtquelle in den Laserstab (Resonator) eingestrahlt ist, daß die Laserwirkung (Resonanz) auftreten würde, falls für den Laserstrahl der Weg zwischen den beiden Spiegeln frei wäre.

Riesenpulslaser oder Giant-Pulse-Laser - wie sie im englischen Sprachgebrauch heißen - ermöglichen Pulsdauern von etwa 10 nsec und Spitzenleistungen bis zu 10 GW (Bild 26).

Weil der Steuervorgang bei derartigen Laseranordnungen einem Ändern oder Schalten des Gütefaktors Q des Resonanzraums gleichkommt, spricht man häufig auch von Q-switch-Lasern oder von Q-spoiled-Lasern.