Titan-Saphir-Laser

Teil eines Titan:Saphir-Lasers. Der Titan:Saphir-Kristall ist das hellrot leuchtende Objekt in der linken Bildhäfte. Das grüne Licht ist vom Pumplaser

Der Titan:Saphir-Laser (oder kurz TiSa) ist ein Festkörperlaser der als optisch aktives Medium die Fluoreszenz von Titan-Ionen benutzt, die als Dotierung in einem Korund (Al₂O₃)-Kristall vorliegen (siehe auch Titan:Saphir). Obwohl es auch Titan:Saphir-Laser gibt, die im Dauerstrichbetrieb arbeiten, liegt seine Bedeutung in der Bauweise als Femtosekundenlaser. Durch eine optische Eigenschaft des Saphirkristalls beginnt der TiSa bei leicht zu realisierenden Anforderungen an Fluoreszenzleistung und Laserresonator selbstständig Lichtpulse mit einer Dauer von 100 fs zu generieren. Der relativ einfache Aufbau, leichte Justage und günstige Preis machen den Titan:Saphir-Laser zum mit Abstand verbreitetsten Femtosekundenlaser mit weitem Einsatzgebiet in der Grundlagenforschung und in Anwendungen wie der Lasermedizin.

Eigenschaften

Titan:Saphir-Laser werden von einem zweiten Laser optisch gepumpt. Dazu wird meist ein grüner Dauerstrichlaser, in der Regel ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser benutzt, seltener ein Argon-Ionen-Laser oder ein Neodym:Ytterbium-Vanadat-Laser eingesetzt. Bei einer Pumpleistung von 5 bis 10 W wird beim Titan:Saphir-Laser eine Lichtleistung von 500 mW erzielt. Der Titan:Saphir-Kristall zeigt eine sehr breite Fluoreszenzbande von 670 bis 1070 nm bei einem Maximum um 800 nm. Durch ein dispersives Element im Resonator wird davon eine Wellenlänge ausgewählt und verstärkt. Der Laser ist über den Fluoreszenzbereich durchstimmbar.

Bei modengekoppelten Titan:Saphir-Lasern liegt die typische Pulsdauer zwischen 100 und 200 fs. Mit aufwendigen Resonatoren lassen sich Dauern bis 4 fs erzielen.

Beim stärksten Laser der Welt, der Hercules des Center for Ultrafast Optical Science (CUOS) der University of Michigan, dauert der Laserpuls ca. 30 Femtosekunden.

Modenkopplung

Das physikalische Prinzip, das hinter dem Pulsbetrieb des Titan:Saphir-Lasers steht, ist die sogenannte Modenkopplung. Bei einem normalen Laser entsteht zwischen den beiden Endspiegeln des Resonators eine stehende Welle, so dass man einen kontinuierlichen Laserstrahl erhält (cw-Laser). Bei modengekoppelten Lasern hingegen läuft ein Lichtpuls zwischen den Endspiegeln hin und her. Dies erreicht man durch einen Schalter im Resonator der kurz öffnet, wenn der Puls den Schalter erreicht, und dann sofort wieder schließt. Dadurch wird alles Licht im Resonator bis auf den Puls unterdrückt. In der Regel muss der Schalter aktiv gesteuert werden, was zu Dauern der Pulse im 100 ps Bereich führt, da die Schaltzeiten begrenzt sind.

Prinzip der Blockierung des cw-Strahls im Titan:Saphir-Laser.

Beim TiSa ist die Modenkopplung passiv, d.h. der Saphirkristall selbst wirkt als Schalter. Grund hierfür ist die Eigenschaft von Saphir bei hohen Lichtleistungen eine Kerr-Linse auszubilden, was zu einer Selbstfokussierung des Laserstrahls im Resonator führt. Gepulstes Licht, das eine hohe Leistung hat (im Bild hellrot), wird viel stärker fokussiert als cw-Licht (im Bild dunkelrot). Eine einfache Lochblende im Resonator lässt nur das fokussierte Licht durch und blockt das unfokussierte cw-Licht.