Chemischer Laser

Chemischer Laser ist ein Laser, 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 Laserstrahlung 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 sind vom Typ her Infrarot- oder Ultraviolett-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 nutzen die Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion, meist zwischen gasförmigen Medien, welche größtenteils in Form von Vibrationsenergie der Moleküle gespeichert ist (siehe Molekülschwingung). 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.[1] Die Laseremission wird durch einen Spiegelresonator senkrecht zur Gasströmung erreicht.[2]

In Amerika 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]

Typen

Chlor-Wasserstoff-Laser

Ein Beispiel für einen chemischen Laser ist der Chlor-Wasserstoff-Laser (HCl-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 Blitzröhre ist)[4]

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[2]
Laseremitter	Wellenlänge in μm
Fluorwasserstoff (HF)	1,3
Chlorwasserstoff (HCl)	2,6–3,5
Deuteriumflourid (DF)	3,5–4,1
Bromwasserstoff (HBr)	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 = 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-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.[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-Lasers sind für Anwendungen in der Raketenabwehr gebaut worden, sind aber zu diesem Zweck selten eingesetzt worden. Auch Anwendungen im Bereich der Spektroskopie sind möglich.[5]

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: [4]

\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.[5]

Chemischer Sauerstoff-Iod-Laser (COIL)

Der chemische Sauerstoff-Iodlaser (englisch chemical oxygen iodine laser, 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.[6]

Literatur

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

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

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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.

[Römpp-2] 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.

[Andrews-4] David L. Andrews: Lasers in Chemistry. Springer, 1997, ISBN 3-540-61982-8, S. 46–47.

[Eichler-5] 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.