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Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Edelgasionenlasern und Metalldampfionenlasern (Cd, Se). Bei allen Ionenlasern handelt es sich um Gasentladungslaser, ähnlich den neutralen Atomlasern.
Ein Ion ist ein Atom, bei dem ein oder mehrere Elektronen aus den äußeren Bahnen abgelöst ist. Das Ion ist folglich positiv geladen, wobei die Ladung einer oder mehrerer Elementarladungen (1,602 . 10-19As) entspricht. Die verbleibenden Elektronen können wie in einem Atom angeregt werden und Laserlicht emittieren. Da zu jedem Atom mehrere Ionen gehören ergibt sich durch deren Existenz eine Vielzahl von zusätzlichen Laserlinien.
Edelgasionenlaser: Mit den ionisierten Edelgasen Ne, Ar, Kr und Xe wurde in Gasentladungen auf über 250 Linien im Spektralbereich von 175nm bis etwa 1100nm Lasertätigkeit erzielt. Je höher der Ionisationszustand ist, desto kürzere Wellenlängen entstehen.
a) Argonlaser: Der Argonionenlaser, welcher Leistungen von 60W (ultraviolett) bis 100W (Blaugrün) liefern kann, stellt einen der wichtigsten kommerziellen Lasertypen dar. Die Gasentladung wird mit einem so hohen Strom betrieben, daß bei einem beträchtlichen Anteil der Atome jeweils ein Elektron weggerissen wird: Aus dem Atom entsteht ein Ion. Das Ion im angeregten Zustand ist für die Emission der Laserstrahlung verantwortlich. Die Strahlung des Argonlasers liegt im grünen und blauen Spektralbereich. Die einzelnen Farben können durch Drehen eines Prismas im Resonator eingestellt werden. Die typischen Strahlleistungen betragen einige Watt, wofür eine elektrische Leistung von mehreren Kilowatt aufgewendet werden muß. Wegen der hohen Stromdichten ist die Technologie der Argonlaser kompliziert. An die Werkstoffe werden hohe thermische Anforderungen gestellt und um das wassergekühlte Laserrohr wird eine Spule gewickelt, die ein achsiales Magnetfeld erzeugt. Dadurch wird der Entladungsstrom in der Rohrmitte gehalten.
Ähnlich ist der Kryptonlaser aufgebaut, der rote Strahlung liefert. Vermischt man Argon und Krypton und erzeugt einen Laserstrahl, entstehen verschiedene Farben zwischen rot und blau.
Metalldampfionenlaser: Neben den Edelgasionenlasern existieren zahlreiche weitere Gaslaser, die auf Übergängen in Ionen beruhen. Technische Bedeutung hat allerdings bisher nur der He-Cd-Laser, ein Metallionenlaser. Da Metall verdampft wird, handelt es sich um einen Gaslaser.
b) He-Cd- und He-Se-Laser: Kontinuierliche Emission vom infraroten bis zum ultravioletten Spektralbereich kann mit Cadmium- und Selen-Ionen erreicht werden. Zur Anregung des Laserniveaus und zum Betrieb der Gasentladung enthalten diese Laser zusätzlich Helium. Aus Übergängen in Cd-Ionen werden 11 Laserlinien von 887,7nm bis 325,0nm und in Se-Ionen 46 Laserlinien von 1258,6nm bis 446,8nm beobachtet. Die Anregung des Cadmiums bzw. des Selens gelingt in einer Glimmentladung mit Helium in Entladungsgefäßen aus Quarzglas oder in Hohlkatodenentladungen. Im ersten Fall wird der Metalldampfdruck durch Heizen (Cd: 350°C, Se: 270°C) eines Metallreservoirs in der Nähe der Anode erzeugt. Durch die entladungsbedingte Drift der Metallionen zur Kathode stellt sich im Entladungsrohr ein gleichmäßiger Metalldampfdruck von etwa 8Pa ein.
Die aktive Länge der Entladungsrohre beträgt bis zu einem Meter. Die Rohre haben einen Radius von etwa 1mm oder mehr. Bei einem Heliumdruck von etwa 800Pa sind zum Betrieb des He-Cd-Lasers etwa 150mA und zum Betrieb des He-Se-Lasers 500mA Entladungsstrom notwendig.
Kommerziell werden He-Se-Lasern mit 1-5mW Ausgangsleistung im Spektralbereich von 460-650nm vertrieben. Die gewünschten Wellenlängenbereiche werden durch entsprechende Spiegel eingestellt. Die Ausgangsleistung kommerzieller He-Cd-Laser beträgt bei 325nm 1-8 mW und bei 441,6nm bis zu 60mW. Durch gleichzeitigen Betrieb der roten, grünen und blauen Linien kann weiße Laserstrahlung erzeugt werden. Die Lebensdauer abgeschmolzener He-Cd-Laser beträgt 6000 Stunden oder mehr (UV-Betrieb: etwa die Hälfte). Die Begrenzung der Lebensdauer erfolgt meist durch Verunreinigung der Entladung, Cd-Niederschläge an der Optik oder anderen Stellen, sowie Gasaufzehrung des Heliums. Der Wirkungsgrad von etwa 0,01% liegt bei dem des He-Ne- und Ar-Lasers. Die Laser sind in der Regel luftgekühlt. Der He-Cd-Laser kann dort eingesetzt werden, wo die Farbe des He-Ne-Lasers nicht richtig oder die Leistung etwas zu klein ist.
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