Kohlenstoffdioxid-Laser

Das Grundprinzip eines Lasers ist die Erzeugung von monochromatischem, kohärentem und polarisiertem Licht durch induzierte (stimulierte) Emission, das Wort “Laser”, bedeutet “Licht-Verstärker durch stimulierte Strahlungsemission” (engl. light amplifier by stimulated emission of radiation). [1]

Es gibt wichtige Laser, bei denen das Laser-aktive Material aus Molekülen besteht. Ein solches Gerät ist der Kohlenstoffdioxid (CO2)-Laser. In der Regel bleibt der Rotations-Schwingungs-Spektroskopie der Zugang zu Emissionsspektren verwehrt, man misst nur die Absorptionsspektren, da die Wahrscheinlichkeit für spontane Emission aus angeregten Schwingungszuständen sehr klein ist. Anders verhält es sich mit den Wahrscheinlichkeiten für die induzierte Emission aus angeregten Schwingungszuständen – dies nutzt man beim CO2-Laser. [1]

Funktionsweise

Energieniveauschema eines CO2-Lasers mit relevanten Freiheitsgraden der Moleküle.
Energieniveauschema eines CO2-Lasers mit relevanten Freiheitsgraden der Moleküle. Es ist wahrscheinlicher, dass die Moleküle den Übergang ν3 → ν1 wählen. Daher wird ausschließlich die Wellenlänge um 10,6 µm emittiert. Abbildung: Frank Murmann | gemeinfrei

Die Schwingungsspektren des CO2-Moleküls werden im CO2-Laser zur Erzeugung von infrarotem Laserlicht verwendet. Die Laser-Röhre enthält eine Mischung von N2 und CO2 Molekülen, durch eine Gasentladung wird der Schwingungsübergang der Stickstoff-Moleküle bei 2360\,\mathrm{cm}^{−1} (bzw. 4720\,\mathrm{cm}^{−1}) angeregt. Sind die N2-Moleküle angeregt, können sie nur mit zwei diskreten Amplituden schwingen ( \overline{\nu} und 2 \overline{\nu}). Da das N2-Molekül über kein permanentes Dipolmoment verfügt, sind Übergänge zwischen den Schwingungsniveaus unter Emission von Photonen verboten und die N2-Moleküle können sehr lange – i. d. R. mehrere Millisekunden – in diesem angeregten Zustand bleiben. Die Stickstoff-Moleküle können ihre Anregungsenergie an Kohlenstoffdioxid-Moleküle strahlungslos durch Stoß abgeben. Dies erfolgt mit großer Ausbeute, weil die asymmetrische Streckschwingung \overline{\nu}_{3} (bzw. 2\,\overline{\nu}_{3}) von CO2 bei 2349 \,\mathrm{cm}^{−1} (bzw. 4698 \,\mathrm{cm}^{−1}) liegt. Es besteht deshalb Resonanz zwischen den Rotations- Schwingungsniveaus der Moleküle N2 und CO2. [1]

CO2-Moleküle, die auf das 2\,\overline{\nu}_{3}-Niveau angeregt wurden, müssen erst durch spontanen Energieverlust um eine Energiestufe fallen, bevor sie ein Photon abgeben können. Das kann unter anderem durch den Zusammenstoß mit einem weiteren CO2-, N2– oder He-Molekül erfolgen. [1]

Von den Rotations-Schwingungsniveaus des CO2 im Bereich um 2349 \,\mathrm{cm}^{−1} ist induzierte Emission in die Rotations-Schwingungsniveaus der symmetrischen Streckschwingung \overline{\nu}_{1} von CO2 (1390 \,\mathrm{cm}^{−1}) möglich. Alle Übergänge zwischen den in \overline{\nu}_{3} angeregten CO2-Molekülen in die Rotations-Niveaus von \overline{\nu}_{1} unter Beachtung der Auswahlregel \Delta J = \pm 1 sind möglich und stehen für den Laser-Prozess zur Verfügung. Es gibt deshalb viele (etwa 100) diskrete Laserfrequenzen in einem Bereich von circa 1000 \,\mathrm{cm}^{−1}1, dem Abstand zwischen \overline{\nu}_{1} und \overline{\nu}_{3}. Dies entspricht einer Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 10.6\,\mathrm{μm}. [1]

Von \overline{\nu}_{1} gelangen die Kohlenstoffdioxid-Moleküle über \overline{\nu}_{2} wieder in den Grundzustand. Dieser Prozess wird durch den Zusammenstoß mit Helium-Atomen verursacht, an welche sie ihre kinetische Energie abgeben. [1]

Dies ist auch einer der großen Vorteile des CO2-Lasers gegenüber dem Helium-Neon-Laser, bei dem die angeregten Atome mit der Wand kollidieren müssen, um in den Grundzustand zu gelangen. Hier ist dies nicht der Fall, weswegen man größere Resonatordurchmesser erreichen kann und so den Wirkungsgrad massiv erhöht. [1]

Anwendung

Der Kohlenstoffdioxid-Laser ist besonders in der Material-Bearbeitung wichtig, weil man mit ihm verhältnismäßig einfach hohe Energiedichten erreichen kann.

Einzelnachweise

[1] Haken, H. and Wolf, H., Molekülphysik Und Quantenchemie. 5. Auflage. Berlin: Springer, 2006, S.179-209.