Chemische Laser sind Laser, die auf einer exoenergetischen chemischen Reaktion basiert. Die frei werdenden Energie sollte in einem der Reaktionsprodukte eine Besetzungsinversion erzeugen, also stärkere Besetzung eines höheren (Schwingungs-) Zustands als eines niedrigeren. Das emittierte (Infrarot-) Licht wird dann verstärkt, wenn es durch Spiegel ins Medium zurück gekoppelt werden. Auf diese Weise verstärkt, verlässt das Licht als Laserstrahlung den Resonator.

Die drei Hauptbestandteile des chemischen Lasers sind dabei:

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

Funktionsprinzip

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Chemische Laser sind vom Typ her Infrarot-Laser, da die Moleküle im Infrarotbereich des Spektrums zu Schwingungen angeregt werden. Theoretische Grundlage für Laser im Allgemeinen ist die stärkere Besetzung von höheren Energieniveaus der Moleküle als von niedrigeren. Man spricht dabei von Besetzungsinversion. Das ermöglicht stimulierte Emission (Laserstrahlung)

Chemische Laser nutzen die Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion, meist zwischen gasförmigen Medien, welche größtenteils in Form von Schwingungsenergie von Reaktionsprodukten gespeichert ist (siehe Molekülschwingung). Die Laserübergänge sind daher oft Schwingungs-Rotationsübergänge innerhalb des elektronischen Grundzustandes im entsprechenden Wellenlängenbereich zwischen 2,5 und 10 µm. Die kohärente Strahlung stammt also aus chemischer Energie. Die Freisetzung der Energie wird ausgelöst durch nur geringe oder gar keine Zufuhr von elektrischer oder Licht-Energie.

Praktische Lasersysteme dagegen sind jedoch meist keine „rein“ chemischen Laser, da die reagierenden Atome oder Moleküle oft durch eine elektrische Entladung, Photolyse, Elektronenstrahlanregung usw. präpariert werden.[1] Die Laseremission wird durch einen Spiegelresonator senkrecht zur Gasströmung erreicht.[2]

In USA wurden wegen der wenig umweltfreundlichen Ausgangschemikalien im Jahr 2012 Forschungen an chemischen Lasern gestoppt, und man ging zur Forschung mit von Laserdioden gepumpten Alkalilasern über.[3]

Chlor-Wasserstoff-Laser

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

 
 
 

wobei hν das Photon aus dem UV-Licht der Blitzröhre ist.[4] Die beiden nächsten Gleichungen beschreiben eine Kettenreaktion. Das entstehende HCl ist hoch schwingungsangeregt. Für gepulste HCl-Laser wird gerne Blitzlicht verwendet, obwohl sich auch elektrische Entladungen für die Erzeugung von Cl-Atomen eignen.

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

Beispiele[2]
Laseremitter Wellenlänge in μm
Fluorwasserstoff (HF) 2,6–3,5
Chlorwasserstoff (HCl) 3,6–4
Deuteriumfluorid (DF) 3,5–4,1
Bromwasserstoff (HBr) 4,0–4,2

Fluor-Wasserstoff-Laser

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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:

 

mit ΔH = 132 kJ/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.[5]

Der Laser-Emission 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.[2]

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.[4] Nur ungefähr 1 % des Reaktionsgases strömt dabei durch den Laser.

HF-Laser wurden für Anwendungen in der Raketenabwehr gebaut, sind aber zu diesem Zweck selten eingesetzt worden. Auch Anwendungen im Bereich der Spektroskopie sind möglich.[5]

Iodlaser

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Ein typisches Gasgemisch für den fotochemischen Iodlaser ist 2-Iodheptafluorpropan, das als Flüssigkeit gelagert wird und in ein Quarzglas-Laserrohr als Gas mit einem Druck von 30 bis 300 mbar gefüllt wird und mit Puffergas verdünnt werden kann. Blitzlampen befinden sich außerhalb des Rohrs. Dabei findet folgende Reaktionssequenz statt:[4]

 
 
 

Das Blitzlicht (um 260 nm) erzeugt fast ausschließlich angeregte Iod-Atome (I*, 2P1/2, Besetzungsinversion), die durch Emission von 1,315 µm in den Grundzustand (2P1/2) übergehen. Die Regeneration des Lasermediums (dritte Gleichung) ist nicht hundertprozentig. Es bilden sich neben C6F14 auch molekulares I2, das ein starker Deaktivator für I* ist.

Iodlaser sind Lasertypen, mit denen Experimente zur Kernfusion denkbar wären.[5]

Chemischer Sauerstoff-Iod-Laser (COIL)

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Der chemische Sauerstoff-Iod-Laser (englisch chemical oxygen iodine laser, COIL), eine Variation des Iodlasers, emittiert Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 1,315 µm.

Zunächst wird durch eine chemische Reaktion (Cl2 + HOO) (oder durch eine elektrische Entladung) Singulettsauerstoff (1Δ O2) erzeugt, also angeregt Sauerstoffmoleküle. Die Anregungsenergie wird in Stößen auf Iodatome übertragen. Die Energieübertragung ist exotherm, wodurch es zur Besetzungsinversion zwischen dem Grundzustand I(2P3/2) und dem elektronisch angeregten Zustand I(2P1/2) kommt. Außerdem reicht die Energie zur Dissoziation der gasförmigen Iodmoleküle.

Das ganze im Resonator befindliche laseraktive Gemisch hat eine Strömungsgeschwindigkeit, die der doppelten Schallgeschwindigkeit entspricht. Dadurch wird eine effiziente Besetzungsinversion bei niedriger Temperatur und geringem Druck erreicht. Wegen der niedrigen Dichte ist das Medium optisch homogen, so dass das Strahlungsfeld im Resonator nicht beeinträchtigt wird. Das chemische Sauerstoff-Iod-Lasersystem zeichnet sich durch seine hohe Strahlqualität bei gleichzeitig hoher Laserleistung aus.[6]

Literatur

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  • Eintrag zu chemische Laser. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag
  • David L. Andrews: Lasers in Chemistry. 3rd edition. Springer, Berlin u. a. 1997, ISBN 3-540-61982-8, S. 46–47.
  • Marc Eichhorn: Laserphysik. Grundlagen und Anwendungen für Physiker, Maschinenbauer und Ingenieure. Springer Spektrum, Berlin u. a. 2013, ISBN 978-3-642-32647-9.
  • Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler: Laser. Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. 7., aktualisierte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2010, ISBN 978-3-642-10461-9.
  • Fritz Peter Schäfer, Alexander Müller: Anwendungen des Lasers. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft, Heidelberg 1988, ISBN 3-922508-47-2.
  • Donald J. Spencer, Theodore A. Jacobs, Harold Mirels, Rolf W. F. Gross: Continuous-Wave Chemical Laser. In: International Journal of Chemical Kinetics. Bd. 1, Nr. 5, 1969, S. 493–494, doi:10.1002/kin.550010510.
  • Carsten Pargmann, Thomas Hall, Frank Duschek, Karin Maria Grünewald, Jürgen Handke: COIL emission of a modified negative branch confocal unstable resonator. In: Applied Optics. Bd. 46, Nr. 31, 2007, S. 7751–7756, doi:10.1364/AO.46.007751.

Einzelnachweise

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  1. Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist: Laser (= Teubner-Studienbücher. Physik.). 4., durchgesehene Auflage. Teubner, Stuttgart 1995, ISBN 3-519-33032-6.
  2. Hochspringen nach: a b c Eintrag zu chemische Laser. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 11. September 2015.
  3. United States Army – Space and Missile Defense Command: Directed Energy Master Plan. United States Army – Space and Missile Defense Command, Huntsville AL 2000.
  4. Hochspringen nach: a b c David L. Andrews: Lasers in Chemistry. Springer, 1997, ISBN 3-540-61982-8, S. 46–47.
  5. Hochspringen nach: a b c Hans-Joachim Eichler, Jürgen Eichler: Laser. Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. 7., aktualisierte Auflage. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10461-9, S. 63, 81.
  6. Chemischer Sauerstoff-Iodlaser (COIL). DLR Institut für Technische Physik, abgerufen am 7. September 2015.