Chemischer Laser

Chemischer Laser ist ein Laser (light amplification by stimulated emission of radiation), der auf einer meist exothermen chemischen Reaktion basiert. Das bedeutet, dass die bei der im Laserreaktionsrohr stattfindenden chemischen Reaktion freiwerdende Energie in elektromagnetische Energie (Licht) umgewandelt wird. Diese elektromagnetischen Wellen werden an Spiegeln reflektiert. Auf diese Weise verstärkt, verlassen sie als Laserstahlung den Resonator.

Die drei Hauptbestandteile des Chemischen Lasers sind dabei:

• das Lasermedium, ein molekulares Gas,
• die Pumpquelle, die Energie liefernde chemische Reaktion,
• der Resonator: zwei reflektierende Spiegel, die als rückkoppelnde Elemente die Laserstrahlung erzeugen.

Funktionsprinzip

Chemische Laser (oder Moleküllaser) sind vom Typ her IR- oder UV-Laser, da die Moleküle im Infrarotbereich des Spektrums zu Schwingungen angeregt werden oder im ultravioletten Bereich zu elektronischen Übergängen. Theoretische Grundlage für Laser im Allgemeinen ist die häufigere Besetzung höherer Energieniveaus, als die entsprechende Besetzung im Grundzustand der Moleküle. Man spricht dabei von Besetzungsinversion. Daraus erfolgt die Laserstrahlung als eine stimulierte Emission. Chemische Laser benützen die Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion, meist zwischen gasförmigen Medien, welche grösstenteils in Form von Vibrationsenergie der Moleküle gespeichert ist. Die Laserübergänge sind daher oft Vibrations-Rotationsübergänge innerhalb des elektronischen Grundzustandes im entsprechenden Wellenlängenbereich zwischen 3 und 10 µm. Die chemische Energie wird in kohärente Strahlung umgewandelt. Diese erzeugt man durch eine exotherme chemische Reaktion mit nur geringer oder gar keiner Zufuhr von elektrischer Energie. Praktische Lasersysteme dagegen sind jedoch meist keine „rein“ chemischen Laser, da die reagierenden Atome oder Moleküle oft durch eine elektrische Entladung, Photolyse, Elektronenstrahlanregung, etc. präpariert werden. Die Laseremission wird durch einen Spiegelresonator senkrecht zur Gasströmung erreicht. In Amerika wurden wegen der wenig umweltfreundlichen Ausgangschemikalien im Jahr 2012 Forschungen an chemischen Lasern gestoppt, und man ging zur Forschung an Dioden-gepumpten Alkalilasern über.

Typen

Chlor-Wasserstoff-Laser

Ein Beispiel für einen chemischen Laser ist der Chlor-Wasserstoff-Laser, der auf folgender Reaktionssequenz basiert:

$\mathrm {Cl_{2}+h\nu \longrightarrow 2Cl*}$

$\mathrm {Cl+H_{2}\longrightarrow HCl+H}$

$\mathrm {H+Cl_{2}\longrightarrow HCl+Cl}$

(wobei hν das Photon aus dem UV-Lichtstrahl der Flashlampe ist)

Der prinzipielle Aufbau des Chlor-Wasserstoff-Lasers besteht aus einer Gasströmungsapparatur, in die Wasserstoff und die durch eine Gasentladung erzeugten Halogenradikale durch Düsen einströmen. Im Reaktionsrohr kommt es dabei zur Bildung der angeregten Moleküle. Senkrecht dazu sind zwei reflektierende Spiegel angeordnet, die als Resonator die Laseremission erzeugen, bei der es sich um kohärente Strahlung handelt.

Beispiele

Laseremitter	Wellenlänge in μm
Fluorwasserstoff	1,3
Chlorwasserstoff	2,6-3,5
Deuteriumflourid	3,5-4,1
Bromwasserstoff	4,0-4,2

Fluor-Wasserstoff-Laser

Chemische Reaktionen können so ablaufen, dass als Endprodukt ein Molekül in einem angeregten Schwingungszustand des Elektronengrundniveaus entsteht. So ist z.B. die Reaktion, die zur Fluorwasserstoff-Bildung führt, exotherm:

$\mathrm {F+H_{2}\longrightarrow H+HF}$

mit ΔH = 132kJ/Mol

Der Energieüberschuß ΔH geht mit nahezu 70% in die Anregung der Schwingungsniveaus des HF-Moleküls. Durch Übergänge zwischen diesen Niveaus mit verschiedener Quantenzahl v entsteht bei der chemischen Reaktion Strahlung. Die Anregung ist selektiv, so dass Besetzungsinversion zwischen den Schwingungsniveaus erreicht wird.

Der Laser-output liegt bei einer Wellenlänge von 2,6-3,5 μm, bestehend aus einer Reihe verschiedener Wellenlängen, die durch Rotations-Schwingungs-Übergänge erzeugt werden. Bei einer Reaktionsenthalpie (ΔH) von 132 kJ/mol hat man für die Vibrationsenergieniveaus 0,1,2,3 eine Häufigkeitsverteilung von 1:2:10:8, bei ΔH = 410 kJ/mol für die Schwingungsenergieniveaus von v=1 bis v=10 ein Verteilung von 6:6:9:16:20:33:30:16:9:6:6.

Der Wasserstoff-Fluorid Laser funktioniert ähnlich wie der Reaktionszyklus des HCL-Lasers, und analog dazu der DF-Laser, bei dem Wasserstoff durch Deuterium ausgetauscht ist. Der Hauptunterschied zum HCl-Laser besteht darin, dass in der Anfangsreaktion die freien Fluorradikale bei einer elektrischen Entladung durch Elektronenbeschuß einer Substanz erzeugt werden, die weniger gefährlich ist als F₂, wie zum Beispiel SF₆. Sauerstoffgas, das sich ebenfalls in der Reaktionsmischung befindet, setzt den dabei freigewordenen Schwefel zu SO₂ um. Nur ungefähr 1% des Reaktionsgases strömt dabei durch den Laser.

HF-Lasers sind für Anwendungen in der Raktenabwehr gebaut worden, sind aber zu diesem Zweck selten eingesetzt worden. Auch Anwendungen im Bereich der Spektroskopie sind möglich.

Iodlaser

Ein typisches Gasgemisch für den Iodlaser ist 1-Iodheptafluorpropan, das in einer Ampulle gelagert wird und in ein Silikat-Laserrohr mit einem Druck von 30 bis 300 mbar gefüllt wird. Dabei findet folgende Reaktionssequenz statt:

$\mathrm {C_{3}F_{7}I+h\nu \longrightarrow C_{3}F_{7}+I*}$

$\mathrm {I*\longrightarrow I+h\nu }$

$\mathrm {C_{3}F_{7}+I+M\longrightarrow C_{3}F_{7}I+M}$

Iodlaser sind Lasertypen, mit denen Experimente zur Kernfusion denkbar wären.

Chemischer Sauerstoff-Iod-Laser (COIL)

Der Chemische Sauerstoff-Iodlaser (COIL), eine Variation des Iodlasers, emittiert Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 1,315 µm. Zunächst wird durch eine elektrische Entladung Singulettsauerstoff (¹ΔO₂) erzeugt. Dieser liefert über einen Energietransfer die Pumpenergie für die Iodatome. Diese werden zu Schwingungen angeregt, wodurch es zur Besetzungsinversion zwischen dem Grundzustand I(²P3/2) und dem ersten angeregten Elektronenzustand I(²P1/2) kommt. Außerdem reicht die Energie zur Dissoziation der gasförmigen Iodmoleküle. Das ganze im Hohlraumresonator (Kavität) befindliche laseraktive Gemisch hat eine Strömungsgeschwindigkeit, die der doppelten Schallgeschwindigkeit entspricht. Dadurch wird eine effiziente Besetzungsinversion bei niedriger Temperatur und geringem Druck erreicht. Ausserdem hat das Sauerstoff-Iod-Gemisch laseraktive Eigenschaften, die das Strahlungsfeld im Resonator nicht beeinträchtigen. Das chemische Sauerstoff-Iod-Lasersystem zeichnet sich durch seine hohe Strahlqualität bei gleichzeitig hoher Laserleistung aus.

Literatur:

• Andrews, David L.: Lasers in Chemistry, Springer 1997, 46-47, ISBN 3-540-61982-8
• Spencer, D. J.; Jacobs, T. A.; Mirels, H.; Gross, R. W. F. (1969). Continuous-Wave Chemical Laser. International Journal of Chemical Kinetics 1 (5): 493–494. doi:10.1002/kin.550010510.
• Schäfer, Fritz P., Müller, Alexander: Anwendungen des Lasers, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft, 1988, ISBN 3-922508-47-2
• Marc Eichhorn: Laserphysik,Grundlagen und Anwendungen für Physiker, Maschinenbauer und Ingenieure , 2013, ISBN 978-3-642-32647-9, doi:10.1007/978-3-642-32648-6
• Hans-Joachim Eichler, Jürgen Eichler: Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen, Springerverlag, 7. Aufl. 2010 ISBN 3642104614, ISBN 978-3-642-104619, doi:10.1007/9783-642-10462-6
• Carsten Pargmann, Thomas Hall, Frank Duschek, Karin M. Grünewald, Jürgen Handke: COIL emission of a modified negative branch confocal unstable resonator. Applied Optics 2007, 46 (31), S. 7751–7756.

• Eintrag zu chemische Laser. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag