Unter einem Pulslaser versteht man einen Laser, der das Licht nicht kontinuierlich emittiert (Dauerstrichlaser, auch CW-Laser genannt), sondern gepulst betrieben wird, d. h. das Licht in zeitlich begrenzten Portionen (den Pulsen) emittiert. Je nach zeitlicher Länge der Pulse spricht man von Kurz- oder Ultrakurzpulslasern.

Eigenschaften

Während Licht eines Dauerstrichlasers typischerweise ein sehr schmales Spektrum hat, ist dies beim Pulslaser nicht möglich. Gemäß der Fourier-Transformation sind der zeitliche Verlauf und das Spektrum eines Pulses miteinander verknüpft: Je kürzer ein Puls also ist, desto größer ist seine Frequenz-Bandbreite.

Das Produkt aus zeitlicher und spektraler Breite (${\displaystyle \Delta t}$ und ${\displaystyle \Delta \nu ,}$ jeweils FWHM der Intensität) heißt Transformlimit und erfüllt die Ungleichung

${\displaystyle \Delta t\cdot \Delta \nu \geq {\text{const.}}}$

Die Konstante hängt hierbei von der Pulsform ab. Für einen gaußförmigen Puls ist z. B.

${\displaystyle \Delta t\cdot \Delta \nu \geq {\frac {2\ln {2}}{\pi }}\approx 0{,}44.}$

Quasi-Dauerstrich-Laser (QCW)

Bei diesen Lasern handelt es sich um CW-Laser, deren Betrieb periodisch unterbrochen wird (daher „quasi-continuous-wave“). Während der Emission ist diese zeitlich konstant und steht in einem festen Verhältnis zur Pumprate, wie auch im CW-Betrieb. Da jedoch die Emission periodisch unterbrochen wird, ist die über die Zeit gemittelte Leistung geringer als die Spitzenleistung. Das ermöglicht Spitzenleistungen, die bei ununterbrochenem Betrieb die Strahlquelle überlasten würde. In dieser Hinsicht entspricht dieser Betrieb einem gepulsten Laser.

Erzeugung

Einige Lasertypen emittieren physikalisch bedingt nur Laserpulse oder lassen sich nicht effizient als CW-Laser betreiben. Der erste Laser, der Rubinlaser, ist ein solcher Pulslaser. Die in der Besetzungsinversion gespeicherte Energie wird von einem Puls schneller „abgeräumt“, als die Pumpquelle neue Energie in das obere Laserniveau pumpen kann. Insbesondere mit Blitzlampen gepumpte Festkörperlaser emittieren ausschließlich gepulstes Laserlicht. Die Energie, Dauer und Spitzenleistung kann dabei über kontrollierte Stromzufuhr für die Blitzlampen exakt eingestellt werden.

Auch können viele CW-Laser gepulst betrieben werden, indem die Pumpleistung schnell ein- und ausgeschaltet wird. Kohlendioxidlaser können so bis über 1 kHz gepulst betrieben werden. Im Prinzip lassen sich Pulse auch mit einer Kombination aus CW-Laser und einem Modulator (z. B. ein einfacher Chopper) erzeugen. So ein Verfahren ist jedoch nicht sehr effizient, da man einen Großteil der Laserleistung verliert. Darüber hinaus ist die minimale erreichbare Pulsdauer durch die Schnelligkeit des Modulators begrenzt. In der Praxis ist man daher bestrebt die gesamte Besetzungsinversion, d. h. die gesamte zur Verfügung stehende Verstärkung, des Lasers während einer Pulsdauer abzurufen.

Zur Erzeugung kurzer und ultrakurzer Pulse existieren unterschiedliche Verfahren. Mit ihnen lassen sich Spitzenleistungen im Bereich von mehreren GW erreichen.

Messung

Um einen Prozess zeitlich aufzulösen braucht man Ereignisse, die kürzer als das zu messende Ereignis sind. Ultrakurze Laserpulse sind die kürzesten Ereignisse, die künstlich erzeugt werden können. Eine elektronische Messung mit einer Photodiode ist nicht möglich, da die Schnelligkeit einer Photodiode durch die Rekombinationszeit der Elektron-Loch-Paare begrenzt wird, welche typischerweise im Nanosekundenbereich liegt.

Oft ist das kürzeste zur Verfügung stehende Ereignis der Puls selbst. In einem Autokorrelator kann man den Puls "mit sich selbst" vermessen und so auf die Pulsdauer schließen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Benutzung von FROG (frequency-resolved optical gating). Hiermit lässt sich ein Spektrogramm des Pulses aufnehmen und daraus das elektrische Feld sowie die Phase berechnen.

Anwendungen

Pulslaser finden aufgrund ihrer hohen Spitzenintensitäten vielfältige Anwendungen z. B. in der Materialbearbeitung und der Augenheilkunde. Bei letzterem kann man Fehlsichtigkeit durch gezielte Abtragung von Hornhautoberfläche korrigieren (z. B. LASIK-Operation, Femto Lasik).

Weiterhin lassen sich wegen der hohen Intensitäten Effekte der nichtlinearen Optik, wie z. B. Frequenzverdopplung oder der Kerr-Effekt, induzieren.

Aufgrund der extrem kurzen Pulsdauern lassen sich physikalische Prozesse, die auf der Zeitskala der Pulsdauer ablaufen, auflösen. Dies geschieht z. B. mit der Pump-Probe-Technik.

Siehe auch

• Ultrakurzpulslaser

Weblinks

• Pulsed Lasers in der Encyclopedia of Laser Physics and Technology (englisch)