Raman-Laser

Ein Raman-Laser ist ein optisch gepumpter Laser, der auf der stimulierten Raman-Streuung basiert.

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Die Pumpstrahlung erzeugt nicht wie bei anderen Lasern eine Besetzungsinversion, bevor die Laserabregung stattfindet, sondern die Photonen geben stimuliert Energie an das Medium (typischerweise als Gitterschwingungen bzw. Phononen) ab und werden mit geringerer Photonenenergie quasi sofort reemittiert.

Anders als bei anderen Lasern wird die Frequenz der abgegebenen Laserstrahlung daher nicht durch die Energieübergänge des Lasermediums bestimmt, sondern durch die Differenz zwischen der Raman-Streu-Energie (z. B. Phononen-Resonanz) und der Energie der Pump-Photonen. Die durch die Raman-Streuung hervorgerufene Stokes-Verschiebung ist konstant, daher kann die Ausgangs-Wellenlänge des Raman-Lasers bzw. Raman-Verstärkers durch die Pump-Wellenlänge bestimmt werden.

Das Lasermedium Quarzglas (typische Glasfaser) hat beispielsweise ein Phononenresonanz-Maximum bei 13,2 THz und somit sollte die Ausgangs-Laserstrahlung für optimale Verstärkung eine um 53 nm größere Wellenlänge als die Pumpstrahlung haben.

Wird in einem Raman-Faserverstärker durch den Prozess der stimulierten Emission ramanfrequenzverschobenes Licht erzeugt, so lässt sich der Zusammenhang zwischen der Pumpleistung P_p und der Signalleistung P_s durch ein Differentialgleichungssystem beschreiben.

Um einen Raman-Faserlaser zu konstruieren, werden ausgehend von der jeweiligen Pumpwellenlänge frequenzselektive Bragg-Gitter in die Faser geschrieben, die z. B. die Grundwellenlänge oder die jeweiligen durch den Raman-Effekt entstehenden Stokes-Ordnungen resonant reflektieren. Zwischen diesen Spiegeln koppelt die Leistung des Pumplichtes auf die Signalwelle über. Auf diese Weise können kaskadierte Raman-Laser konstruiert werden, indem die entstehende erste Stokes-Ordnung eine zweite Stokes-Ordnung pumpt, und so weiter. Raman-Faserlaser lassen sich wie normale Faserlaser vorwärts oder rückwärts pumpen, je nachdem, an welcher Stelle das Pumplicht eingekoppelt wird. Sie bieten eine sehr gute Lösung, um Lichtleistung in einem sehr großen Wellenlängenbereich frequenzselektiv bereitzustellen.

Der erste Raman-Laser wurde 1962 von Gisela Eckhardt and E. J. Woodbury in Nitrobenzol realisiert, welches zum Pumpen in einem gütegeschalteten Rubinlaser war.

Um 1975 wurden erste Faserverstärker realisiert, die auf dem Raman-Effekt beruhten. Ein in vorgestellter Raman-Faserlaser im Kilowattbereich besteht zum Beispiel aus einem Seedlaser und einem nachgeschalteten Raman-Faserverstärker, der zugleich seine Pumpstrahlung (1070 nm) erzeugt, indem die Glasfaser Erbium-dotiert ist und mittels Diodenlaserstrahlung (976 nm) gepumpt wird. Die Ausgangswellenlänge wurde zu 1123 nm gewählt, was genau der oben erwähnten optimalen Stokes-Differenz von 53 nm entspricht.

Literatur

• Rainer Engelbrecht: Nichtlineare Faseroptik. Springer Verlag 2015, S. 431–492 (Kapitel Raman-Faserlaser).
• Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich: Grundlagen der Photonik. 2. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-40677-7.

Weblinks

• UNTERDRÜCKUNG VON STIMULIERTER RAMAN STREUUNG IN FASERLASERN SUPPRESSION OF STIMULATED RAMAN SCATTERING IN FIBER LASERS (abgerufen am 22. Dezember 2017)
• Laser in der Materialbearbeitung (abgerufen am 22. Dezember 2017)

Einzelnachweise

1. https://www.rp-photonics.com/raman_gain.html R. Paschotta: Raman Gain (Lexikon der Fa. RP Photonics Consulting GmbH), abgerufen am 5. Mai 2020
2. E. J. Woodbury, W. K. Ng: Ruby laser operation in the near IR. In: Proceedings of the Institute of Radio Engineers. Band 50, Nr. 11, 1962, S. 2367, doi:10.1109/JRPROC.1962.287964. 
3. Gisela Eckhardt, R. W. Hellwarth, F. J. McClung, S. E. Schwarz, D. Weiner, E. J. Woodbury: Stimulated Raman Scattering From Organic Liquids. In: Physical Review Letters. Band 9, Nr. 11, 1. Dezember 1962, S. 455–457, doi:10.1103/PhysRevLett.9.455. 
4. https://www.researchgate.net/publication/298912723_Bidirectional_pumped_high_power_Raman_fiber_laser Qirong Xiao et al.: Bidirectional pumped high power Raman fiber laser, in Optics Express 24(6):6758, März 2016, DOI:10.1364/OE.24.006758, abgerufen am 5. Mai 2020