Kurzpulslaser: Grundlagen, Kennwerte und Anwendungen
Kurzpulslaser geben Licht in kurzen, zeitlich begrenzten Pulsen ab. So lässt sich Energie gezielt bereitstellen – etwa zur Anregung von Molekülen, für zeitaufgelöste Messungen oder zur Materialbearbeitung. Welche Laserquelle geeignet ist, bestimmen vor allem Wellenlänge, Pulsdauer, Pulsenergie und Wiederholrate.
Erfahren Sie, wie Kurzpulslaser arbeiten, welche Kennwerte entscheidend sind und was Laser im ultravioletten Spektralbereich auszeichnet.
Was ist ein Kurzpulslaser?
Ein gepulster Laser gibt seine Energie in einzelnen Lichtpulsen ab. Bei einem Dauerstrichlaser erfolgt die Emission dagegen kontinuierlich. Kurze Pulse können hohe momentane Leistungen erreichen, auch wenn die über die Zeit gemittelte Leistung vergleichsweise gering ist.
Schematischer Vergleich von Dauerstrichbetrieb und Pulsbetrieb; keine gemeinsame quantitative Leistungsskala.
Kurze Zeitfenster
Ein Laserpuls setzt einen definierten zeitlichen Startpunkt. Das unterstützt beispielsweise die Synchronisation von Anregung und Detektion.
Hohe Spitzenleistung
Wird eine gegebene Energie in kürzerer Zeit abgegeben, steigt die Leistung während des Pulses. Die genaue Spitzenleistung hängt auch von der zeitlichen Pulsform ab.
Gezielte Wechselwirkung
Wellenlänge, Pulsenergie und Fokus bestimmen gemeinsam, wie das Licht mit einer Probe oder einem Werkstoff wechselwirkt.
Kurzpuls und Ultrakurzpuls
Nanosekundenlaser sind typische Kurzpulslaser. Pikosekunden- und Femtosekundenlaser werden üblicherweise als Ultrakurzpulslaser bezeichnet. Diese Einführung konzentriert sich auf Pulse im Nanosekundenbereich und insbesondere auf UV-Laser.
Welche Kennwerte sind entscheidend?
Ein einzelner Wert beschreibt einen Pulslaser nur unvollständig. Für die Auswahl zählt das Zusammenspiel der Parameter und ihre Abstimmung auf die Anwendung.
Schematische Darstellung eines Pulszuges. Die Pulsdauer wird häufig als volle Breite bei halber maximaler Leistung (FWHM) angegeben. Pulsbreite und Pulsabstand sind nicht maßstäblich zueinander.
| Kennwert | Bedeutung | Bei der Auswahl prüfen |
|---|---|---|
| Wellenlänge λ | Bestimmt die Photonenenergie und beeinflusst die Absorption der Probe. | Absorptionsspektrum, Transmission und Beschichtungen der Optik. |
| Pulsdauer τ | Beschreibt die zeitliche Breite eines Pulses, häufig als FWHM. | Zeitverlauf der Wechselwirkung und Synchronisation mit der Detektion. |
| Pulsenergie Eₚ | Energie eines einzelnen Pulses, häufig in µJ oder mJ angegeben. | Benötigte Energie am Zielort, Regelbereich und optische Verluste. |
| Wiederholrate f | Anzahl der Pulse pro Sekunde. | Messgeschwindigkeit, Probenbelastung und Datenerfassung. |
| Mittlere Leistung P̄ | Über viele Pulse gemittelte Leistung. Bei gleichmäßigen Pulsen gilt P̄ = Eₚ · f. | Leistungsbedarf und zeitlich gemittelte thermische Belastung. |
| Spitzenleistung Pₛ | Maximale Leistung während eines Pulses; Größenordnung Pₛ ≈ Eₚ / τ. | Zeitliche Pulsform und Anforderungen an den Anregungsprozess. |
| Strahlprofil und Spotgröße | Bestimmen die räumliche Energieverteilung auf der Probe. | Fluenz, Fokussierbarkeit und räumliche Auflösung. |
| Pulsstabilität und Triggerung | Unterstützen reproduzierbare und zeitlich definierte Messungen. | Energieschwankungen, Trigger-Schnittstellen, Verzögerung und Jitter. |
Rechenbeispiel: geringe mittlere Leistung, hohe Pulsleistung
Ein hypothetischer Laser liefert 100 µJ pro Puls bei 1 kHz und einer Pulsdauer von 3 ns.
0,1 W
Mittlere Leistung
100 µJ × 1.000 s⁻¹
ca. 33 kW
Größenordnung der Spitzenleistung
100 µJ / 3 ns
1 ms
Abstand zwischen zwei Pulsen
1 / 1.000 Hz
Illustratives Beispiel, keine Produktspezifikation. Für einen gaußförmigen Puls mit 3 ns FWHM ergibt sich eine Spitzenleistung von rund 31 kW.
Was zeichnet UV-Kurzpulslaser aus?
UV-Licht hat kürzere Wellenlängen und höhere Photonenenergien als sichtbares Licht. Zusammen mit kurzen Pulsen eröffnet dies Möglichkeiten für die gezielte Anregung von Molekülen und die Bearbeitung kleiner Strukturen. Die Eignung hängt vom Absorptionsverhalten und von der gewünschten Wechselwirkung ab.
UV im elektromagnetischen Spektrum. Der Farbverlauf zeigt näherungsweise den sichtbaren Bereich; UV und Infrarot sind unsichtbar und neutral dargestellt.
Moleküle gezielt anregen
Viele Moleküle und Markersysteme absorbieren im UV. Die Anregungswellenlänge wird auf das jeweilige Absorptionsspektrum abgestimmt.
Kleine Strukturen adressieren
Kürzere Wellenlängen ermöglichen bei vergleichbarer Optik kleinere beugungsbegrenzte Fokusdurchmesser. Der tatsächliche Fokus hängt auch von Strahlqualität und Optik ab.
Die Probe entscheidet.
UV ist nicht für jede Messaufgabe die beste Wahl. Entscheidend sind Absorption, erforderliche Signalstärke und mögliche photochemische oder thermische Veränderungen. Auch Pulsenergie, Strahlfläche und Wiederholrate müssen zur Probe passen.
Welche Laserarten erzeugen kurze UV-Pulse?
UV-Pulse lassen sich auf unterschiedliche Weise erzeugen. Zwei für die Analytik wichtige Konzepte sind Stickstofflaser und frequenzkonvertierte Festkörperlaser.
Stickstofflaser
Direkte UV-Emission
Eine elektrische Gasentladung regt Stickstoff an. Die Laseremission erfolgt bei etwa 337 nm; die Pulse liegen typischerweise im Nanosekundenbereich. Stickstofflaser sind etablierte Quellen für MALDI-TOF und Fluoreszenzanwendungen.
Diodengepumpte Festkörperlaser
UV durch Frequenzkonversion
Laserdioden pumpen ein festes Verstärkungsmedium. Kurze Pulse können durch Güteschaltung entstehen. Nichtlineare Kristalle wandeln das Licht anschließend in den UV-Bereich um. Wellenlänge und Betriebsparameter hängen vom Aufbau ab.
Weitere Konzepte
Auch andere Laserquellen können kurze UV-Pulse liefern, beispielsweise Excimerlaser oder frequenzkonvertierte Ultrakurzpulslaser. Die Auswahl richtet sich nach der benötigten Wellenlänge, Pulsdauer, Pulsenergie und dem vorgesehenen Betrieb.
Wo werden Kurzpulslaser eingesetzt?
Die Anforderungen unterscheiden sich je nach Messprinzip. Die folgenden Beispiele zeigen Anwendungen mit besonderem Bezug zu UV-Kurzpulslasern.
MALDI-TOF
Ein UV-Puls wird von einer geeigneten Matrix aufgenommen und löst Desorptions- und Ionisationsprozesse aus.
Worauf es ankommt: Wellenlänge, Pulsenergie, Strahlprofil und Stabilität.
Bioassays und zeitaufgelöste Fluoreszenz
Kurze Pulse regen geeignete fluoreszierende Marker an. Eine verzögerte Detektion kann kurzlebige Hintergrundsignale unterdrücken.
Worauf es ankommt: Anregungswellenlänge, Timing und Reproduzierbarkeit.
Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)
Die Fluoreszenz nach gezielter Laseranregung liefert Informationen über Moleküle und ihre Umgebung.
Worauf es ankommt: Absorptionsspektrum, Pulsdauer und Synchronisation mit der Detektion.
Lasermikrobearbeitung
Fokussierte Pulse verändern oder entfernen Material lokal. Der Prozess hängt stark von Werkstoff und Laserparametern ab.
Worauf es ankommt: Fluenz, Fokusgröße, Pulsdauer und Pulsüberlappung.
Was hilft bei der Auswahl einer Laserquelle?
Beschreiben Sie zunächst die Messaufgabe und die Probe. Daraus lassen sich die Anforderungen an den Laser und seine Integration ableiten.
| Auswahlkriterium | Leitfragen |
|---|---|
| Probe und Prozess | Was soll angeregt, gemessen oder bearbeitet werden? Welche Wellenlänge wird absorbiert? |
| Energie am Zielort | Welche Pulsenergie und Strahlfläche werden an der Probe benötigt? Welche optischen Verluste entstehen? |
| Zeitlicher Ablauf | Welche Pulsdauer, Wiederholrate und Synchronisation erfordert die Messung? |
| Integration und Betrieb | Welche Anforderungen gelten für Bauraum, Triggerung, Stabilität, Wartung und Lebensdauer? |
UV-Kurzpulslaser von LTB
LTB entwickelt kompakte UV-Pulslaser für analytische Geräte und OEM-Systeme. Stickstofflaser und diodengepumpte Festkörperlaser bieten unterschiedliche Möglichkeiten für eine zeitlich definierte UV-Anregung. Die passende Ausführung richtet sich nach der Probe, den benötigten Anregungsbedingungen und der Geräteintegration.
DPSS-Laser · 336 nm und 355 nm
qMNL-Serie
Aktiv gütegeschaltete, diodengepumpte Festkörperlaser für zeitlich definierte UV-Anregung. Wellenlänge und Ausführung werden auf die Anforderungen des Instruments abgestimmt.
Stickstofflaser · 337 nm
MNL 100
Kompakte Stickstofflaser als UV-Pulsquellen für analytische Messaufbauten. Eine Option für Instrumente, deren Optik und Messablauf auf die Anregung bei 337 nm ausgelegt sind.
Die passende Laserquelle für Ihr Instrument
Sie entwickeln ein analytisches Instrument oder möchten eine vorhandene Laserquelle ersetzen? Besprechen Sie mit uns Wellenlänge, Pulsenergie auf der Probe, Wiederholrate, Triggerung und die mechanischen Schnittstellen.
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Pulsenergie und Leistung?
Die Pulsenergie beschreibt die Energie eines einzelnen Pulses. Die mittlere Leistung ergibt sich bei gleichmäßigen Pulsen aus Pulsenergie mal Wiederholrate. Die Spitzenleistung ist die maximale Leistung innerhalb eines Pulses und hängt zusätzlich von Pulsdauer und Pulsform ab.
Sind Kurzpulslaser immer UV-Laser?
Nein. Gepulste Laser gibt es auch im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Pulsdauer und Wellenlänge sind unterschiedliche Eigenschaften einer Laserquelle. Diese Seite legt ihren Schwerpunkt auf kurzgepulste UV-Laser.
Ist eine kürzere Pulsdauer immer besser?
Nein. Die Pulsdauer muss zum gewünschten Anregungs- oder Bearbeitungsprozess passen. Eine kürzere Pulsdauer erhöht bei gleicher Pulsenergie typischerweise die Spitzenleistung und kann die Wechselwirkung mit der Probe verändern.
Was unterscheidet Fluenz und Intensität?
Die Fluenz ist die Energie pro bestrahlter Fläche, häufig angegeben in J/cm². Die Intensität ist die Leistung pro Fläche, häufig in W/cm². Bei räumlich ungleichmäßigen Strahlprofilen unterscheiden sich lokale und über die Fläche gemittelte Werte.
Welche Angaben helfen bei einer OEM-Anfrage?
Hilfreich sind Anwendung, gewünschte Wellenlänge, Pulsenergie und Spotgröße auf der Probe, Pulsdauer, Wiederholrate und Stabilitätsanforderungen. Ergänzend sind Informationen zu Triggerung, Bauraum, Strahlführung und Schnittstellen wichtig.
Alle Diagramme sind eigens erstellte, vereinfachte Erläuterungen.