Laser-Technologie

  I. EINLEITUNG

  Licht hat schon immer eine zentrale Rolle im Studium der Physik, Chemie und Biologie gespielt. Licht ist sowohl für die Entwicklung des Universums als auch für die Entwicklung des Lebens auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Dieses Jahrhundert, eine neue Form des Lichts, Laserlicht, wurde auf unserem kleinen Planeten entdeckt und ermöglicht bereits eine globale Informationstransformation sowie wichtige Beiträge für die Medizin, die industrielle Materialverarbeitung, die Datenspeicherung, den Druck und die Abwehr. Diese Übersicht wird die Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie verfolgen, die zur Erfindung des Lasers führten, und einige Beispiele dafür geben, wie Laser zu technologischen Anwendungen und zum Fortschritt in der Grundlagenforschung beitragen. Es gibt viele andere exzellente Quellen, die verschiedene Aspekte der Laser- und Lasertechnologie abdecken, einschließlich Artikeln aus dem 25-jährigen Jubiläum des Lasers (Aususbell und Langford, 1987) und Lehrbüchern (z. B. Siegman, 1986; Agrawal und Dutta, 1993 und) Ready, 1997).

Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission (LASER) wird erreicht, indem die elektronischen, Schwingungs-, Rotations- oder kooperativen Moden eines Materials in einen Nichtgleichgewichtszustand gebracht werden, so dass sich durch das System ausbreitende Photonen durch stimulierte Emission kohärent verstärkt werden. Die Anregung dieses optischen Verstärkungsmediums kann unter Verwendung von optischer Strahlung, elektrischem Strom und Entladungen oder chemischen Reaktionen erreicht werden. Das Verstärkungsmedium ist in einer optischen Resonatorstruktur angeordnet, beispielsweise zwischen zwei Spiegeln mit hohem Reflexionsvermögen in einer Fabry-Perot-Interferometer-Konfiguration. Wenn die Verstärkung der Photonenzahl für einen optischen Modus des Hohlraumresonators den Hohlraumverlust sowie den Verlust durch Nicht-Strahlungs- und Absorptionsprozesse übersteigt, steigt die kohärente Zustandsamplitude des Modus auf einen Pegel an, bei dem die mittlere Photonenzahl im Modus größer ist als eines. Bei Pumpenniveaus oberhalb dieser Schwellwertbedingung wird das System durch Laserstrahlung gesteuert und die stimulierte Emission dominiert die spontane Emission. Ein Laserstrahl wird typischerweise durch einen teilweise durchlässigen Spiegel aus dem Resonator ausgekoppelt. Die wunderbar nützlichen Eigenschaften der Laserstrahlung umfassen räumliche Kohärenz, enge spektrale Emission, hohe Leistung und klar definierte räumliche Moden, so dass der Strahl auf eine beugungsbegrenzte Fleckgröße fokussiert werden kann, um eine sehr hohe Intensität zu erreichen. Die hohe Effizienz der Laserlichterzeugung ist in vielen Anwendungen wichtig, die eine geringe Leistungsaufnahme und ein Minimum an Wärmeerzeugung erfordern.

  Wenn ein Laserstrahl im kohärenten Zustand unter Verwendung von Photonenzählverfahren detektiert wird, ist die zeitliche Verteilung der Photonenzählung Poissonscher. Zum Beispiel klingt ein Audioausgang von einem hocheffizienten Photomultiplier, der ein Laserfeld erfasst, wie Regen in einem stetigen Regenguss. Dieses Laserrauschen kann in speziellen Fällen modifiziert werden, z. B. durch konstantes Pumpen eines Diodenlasers, um einen quetschenden Zahlenzustand zu erhalten, in dem die erfassten Photonen eher wie ein Maschinengewehr klingen als Regen.

  Ein optischer Verstärker wird erreicht, wenn sich das Verstärkungsmedium nicht in einem Resonanzhohlraum befindet. Optische Verstärker können eine sehr hohe Verstärkung und ein geringes Rauschen erzielen. Tatsächlich haben sie derzeit Rauschzahlen innerhalb einiger dB der 3 dB-Quantenrauschgrenze für einen phasenunempfindlichen linearen Verstärker, d. H., Sie fügen der Rauschleistung eines Eingangssignals wenig mehr als einen Faktor von zwei hinzu. Optische parametrische Verstärker (OPAs), bei denen die Signalverstärkung durch nichtlineare Kopplung eines Pumpfeldes mit Signalmodi erreicht wird, können so konfiguriert werden, dass sie einem Eingangssignal weniger als 3 dB Rauschen hinzufügen. In einem OPA kann das zum Eingangssignal hinzugefügte Rauschen durch Pumprauschen dominiert werden, und das durch einen Laserpumpstrahl beisteuerte Rauschen kann im Vergleich zu der großen Amplitude des Pumpfeldes vernachlässigbar klein sein.

  II.Geschichte

  Einstein (1917) lieferte die erste wesentliche Idee für die stimulierte Laseremission. Warum wurde der Laser nicht früher im Jahrhundert erfunden? Ein Großteil der frühen Arbeiten zur stimulierten Emission konzentriert sich auf Systeme, die sich nahe am Gleichgewicht befinden, und der Laser ist ein äußerst ungleichmäßiges System. Im Nachhinein hätte der Laser während der Zeit intensiver spektroskopischer Untersuchungen von 1925 bis 1940 mit Hilfe einer Gasentladung leicht konzipiert und demonstriert werden können. Um die Atmosphäre für das Laserkonzept zu schaffen, war jedoch die während des Zweiten Weltkriegs entwickelte Mikrowellentechnologie erforderlich. Charles Townes und seine Gruppe in Columbia entwickelten die Idee von Maser (Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission), basierend auf ihrem Hintergrund in der Mikrowellentechnologie und ihrem Interesse an der hochauflösenden Mikrowellenspektroskopie. Ähnliche Ideen für Maser entwickelten sich in Moskau (Basov und Prokhorov, 1954) und an der University of Maryland (Weber, 1953). Der erste experimentell demonstrierte Maser an der Columbia University (Gordon et al., 1954, 1955) basierte auf einem molekularen Ammoniakstrahl. Bloembergens Ideen für den Gewinn in Drei-Level-Systemen führten zu den ersten praktischen Maser-Verstärkern im Ruby-System. Diese Geräte haben Rauschzahlen sehr nahe an der Quantengrenze und wurden von Penzias und Wilson zur Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung verwendet.

Townes war zuversichtlich, dass das Maser-Konzept auf den optischen Bereich ausgedehnt werden könnte (Townes, 1995). Die Laser-Idee wurde geboren (Schawlow und Townes, 1958), als er die Idee mit Arthur Schawlow besprach, der verstand, dass die Resonatormoden eines Fabry-Perot-Interferometers die Anzahl der mit dem Verstärkungsmaterial wechselwirkenden Moden in der Reihenfolge reduzieren könnten hohe Verstärkung für einen einzelnen Modus zu erreichen. Der erste Laser wurde von Ted Maiman in Hughes Research Laboratories (Maiman, 1960) in einem Blitzlampengepumpten Rubinkristall gezeigt. Kurz nach der Demonstration gepulster Kristalllaser wurde in den Bell Laboratories (Javan et al., 1961) ein Dauerstrich- (CW-) He: Ne-Gasentladungslaser demonstriert, zuerst bei 1,13 µm und später bei roten 632,8 nm Wellenlängenübergang. Ein hervorragender Artikel über die Geburt des Lasers wird in einer Sonderausgabe von Physics Today (Bromberg, 1988) veröffentlicht.

  Mit Maser und Laser wurde das Gebiet der Quantenelektronik initiiert, das die Disziplinen Physik und Elektrotechnik umfasst. Für Physiker, die hauptsächlich in Bezug auf Photonen dachten, waren einige Laserkonzepte ohne die in der Elektrotechnik bekannten kohärenten Wellenkonzepte nur schwer zu verstehen. Zum Beispiel kann die Laserlinienbreite viel enger sein als die Grenze, die man durch die spontane Lebensdauer des Laserübergangs für wahrscheinlich erachten könnte. Charles Townes gewann eine Flasche Scotch über diesen Punkt von einem Kollegen in Columbia. Der Laser und Maser demonstrieren auf wundervolle Weise den Austausch von Ideen und Impulsen zwischen Industrie, Regierung und universitärer Forschung.

  In der Zeit von 1961 bis 1975 gab es zunächst nur wenige Anwendungen für den Laser. Es war eine Lösung, die nach einem Problem suchte. Seit Mitte der 70er Jahre ist die Lasertechnologie für industrielle Anwendungen explosionsartig gewachsen.

  Als Ergebnis dieses technologischen Wachstums ermöglicht eine neue Lasergeneration, zu der Halbleiter-Diodenlaser, Farbstofflaser, ultraschnelle modengekoppelte Ti: Saphirlaser, optische Parameteroszillatoren und parametrische Verstärker gehören, derzeit neue Forschungsdurchbrüche in der Physik und Chemie und Biologie.

  III.LASER IM JAHRHUNDERT

  Schawlows "Gesetz" besagt, dass alles nachlässt, wenn es stark genug gepumpt wird. In der Tat wurden Tausende von Materialien als Laser und optische Verstärker demonstriert, was zu einem großen Bereich von Lasergrößen, Wellenlängen, Pulslängen und Leistungen führt. Laserwellenlängen reichen vom fernen Infrarot bis zum Röntgenbereich. Für die Erforschung der Materialdynamik stehen Laserlichtpulse von wenigen Femtosekunden zur Verfügung. Spitzenleistungen im Petawatt-Bereich werden nun durch Verstärkung von Femtosekundenpulsen erreicht. Wenn diese Leistungspegel auf einen beugungsbegrenzten Punkt fokussiert werden, nähern sich die Intensitäten 1023 W / cm2. Elektronen in diesen intensiven Feldern werden während eines einzigen optischen Zyklus in den relativistischen Bereich beschleunigt, und es können interessante elektrodynamische Quanteneffekte untersucht werden. Die Physik ultrakurzer Laserpulse wird in dieser hundertjährigen Serie (Bloembergen, 1999) besprochen.

Ein aktuelles Beispiel für einen großen, leistungsstarken Laser ist der chemische Laser, der auf einem Jodübergang bei einer Wellenlänge von 1,3 µm basiert und als Verteidigungswaffe gedacht ist (Forden, 1997). Es könnte in einem Boeing 747-Flugzeug montiert werden und würde durchschnittliche Leistungen von 3 Megawatt erzeugen, was 30 Acetylenbrennern entspricht. Neue Fortschritte bei hochwertigen dielektrischen Spiegeln und verformbaren Spiegeln ermöglichen es, diesen intensiven Strahl zuverlässig auf einen kleinen Flugkörper zu fokussieren, der biologische oder chemische Substanzen trägt, und ihn aus Entfernungen von bis zu 100 km zerstören. Dieser "Star Wars" -Angriff kann während der Startphase der Zielrakete durchgeführt werden, so dass Teile der zerstörten Rakete auf ihren Werfer zurückgreifen könnten, was eine gute Abschreckung für diese bösen Waffen darstellt. Captain Kirk und das Raumschiff Enterprise setzen dieses möglicherweise bei den Klingonen ein!

  Am entgegengesetzten Ende des Lasergrößenbereichs befinden sich so kleine Mikrolaser, dass nur wenige optische Moden in einem Resonator mit einem Volumen im Femtoliterbereich enthalten sind. Diese Resonatoren können die Form von Ringen oder Scheiben mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern haben, die anstelle herkömmlicher dielektrischer Stapelspiegel interne Totalreflexion verwenden, um ein hohes Reflexionsvermögen zu erzielen. Fabry-Perot-Hohlräume von nur einem Bruchteil eines Mikrometers werden für VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) verwendet, die optische Strahlen hoher Qualität erzeugen, die effizient mit optischen Fasern gekoppelt werden können (Choquette und Hou, 1997). VCSELs können eine weit verbreitete Anwendung in optischen Datenverbindungen finden.

  Die weltweiten Laserumsätze in den wichtigsten kommerziellen Märkten für 1997 (Anderson, 1998; Steele, 1998) sind schematisch in Abb. 1 dargestellt. Die Gesamtverkäufe von Lasern erreichten 3,2 Milliarden US-Dollar Die weltweite Verteilung der Laserverkäufe beträgt 60% in den USA, 20% in Europa und 20% im Pazifik. Halbleiter-Diodenlaser machen fast 57% des Lasermarktes von 1997 aus. Diodenlaser allein in der Telekommunikation machen 30% des Gesamtmarktes aus.

  Die Materialbearbeitung ist der zweitgrößte Markt mit Anwendungen wie Schweißen, Löten, Strukturieren und Schneiden von Geweben. CO2-Laser mit durchschnittlichen Leistungen im Bereich von 100 W machen einen großen Teil des Umsatzes in dieser Kategorie aus. Hochleistungsdiodenlaser mit Ausgangsleistungen zwischen 1 und 20 W und Wellenlängen im Bereich von 750 bis 980 nm finden nun eine breite Palette von Anwendungen in der Materialbearbeitung sowie in ophthalmischen und chirurgischen Anwendungen, Instrumentierung und Sensorik.

Das Wachstum bei medizinischen Laseranwendungen ist zu einem großen Teil auf kosmetische Laserverfahren wie Hauterneuerung und Haarentfernung zurückzuführen. Ein großer Teil der medizinischen Laser wird immer noch in ophthalmologischen und allgemeinen chirurgischen Anwendungen eingesetzt.

  Frequenzverdoppelte Nd: YAG-Laser und Diodenlasersysteme ersetzen Argonionlaser in der Augenheilkunde. Neue Laser, einschließlich des erbiumdotierten YAG-Lasers, werden häufig in der Dermatologie, Zahnmedizin und Augenheilkunde eingesetzt.

  Optische Speicher machen 10% des Marktes aus, wo die Laser gefunden werden, die in CD-Spielern für Unterhaltungs- und Computermärkte verwendet werden. Der GaAs-Halbleiterlaser mit 800 nm Wellenlänge für diese Anwendungen wird heute so effizient hergestellt, dass die Laserkosten jeweils auf fast 1 USD sinken. Über 200 Millionen Diodenlaser mit Wellenlängen im Bereich von 750 bis 980 nm und Leistungen von einigen Milliwatt wurden 1997 zur optischen Speicherung verkauft.

 Das Aufkommen von digitalen Videoplatten (DVDs) mit 4,7 GByte Speicherkapazität und blauen Diodenlasern (DenBaars, 1997) wird zu weiterem Wachstum in diesem Bereich führen.

  Laseranwendungen für die Bildaufzeichnung umfassen Desktop-Computer-Drucker, Faxgeräte, Kopierer und kommerziellen Druck (Gibbs, 1998). Einmoden-Diodenlaser mit niedriger Leistung, die bei Wellenlängen von 780 bis 670 nm emittieren, werden in Bildaufnehmern verwendet, die zur Herstellung von Farbseparationsfilmen mit hoher Empfindlichkeit in diesem Wellenlängenbereich verwendet werden. Diese laserbasierte Farbdrucktechnologie wurde mit Desktop-Publishing-Software kombiniert, um qualitativ hochwertige Seitendesigns zu ermöglichen. Die Computer-to-Plate-Technologie ist eine weitere wichtige Entwicklung beim Drucken. Die Oberfläche einer Druckplatte wird direkt abgebildet, indem sie mit einem Laserstrahl belichtet wird, anstatt filmbasierte Farbauszüge zu verwenden. Zum Beispiel können mit Photopolymer beschichtete Platten mit frequenzverdoppelten diodengepumpten Nd: YAG-Lasern bei einer Wellenlänge von 532 nm belichtet werden. In letzter Zeit wurden wärmeempfindliche Platten zur Verwendung mit Nahinfrarot-Strukturierungslasern entwickelt.

  Die Märkte für Fernerkundungslaser umfassen die Vermeidung von Kollisionen im Automobilbereich, atmosphärische chemische Detektoren und die Erkennung von Luftbewegungen. Laser Ranging bietet detaillierte Höhenkarten der Erde, einschließlich Landbewegungen, Biomasse, Wolken- und Dunstbedeckung sowie Eiskappenentwicklung. Laser-Entfernungen von Satelliten können eine Auflösung von Höhenmerkmalen und Landbewegungen auf der Erde erreichen. Der Mond, der Mars und andere Planeten werden ebenfalls durch Laserentfernung abgebildet. Bei den Planeten liegt die Messgenauigkeit zwischen Metern und Zentimetern. Kürzlich wurden detaillierte Merkmale der Eiskappe auf dem Mars sowie Wolken am Rand der Eiskappe kartiert.

  Laseranwendungen in Forschung, Barcode-Scanning, Inspektion, Kunst und Unterhaltung sind kleine, aber bedeutende Märkte. Laser, die 1997 für Grundlagenforschung verkauft wurden, erwirtschafteten einen Umsatz von 132 Millionen Dollar. Niedrige Leistungsaufnahme, frequenzverdoppelte Diodenquellen, die im Grün bei Leistungspegeln nahe 10 W emittieren, werden als Pumplaser für frequenzabstimmbare Laser wie den Ti: Saphirlaser und optische parametrische Verstärker verwendet. Sogar ein Tischlaser kann mit leistungsstarken optischen Verstärkern das Petawatt-Spitzenleistungsregime erreichen. Diese hochstimmbaren ultrakurzen Pulse führen in vielen Forschungsgebieten zu Fortschritten.

IV.LASER IN KOMMUNIKATION

  Laserlichtquellen haben die Kommunikationsbranche revolutioniert. Die Sprachkommunikation steigerte die Nachfrage nach Informationsübertragungskapazitäten bis Mitte der 70er Jahre stetig. Die Verdopplungszeit für die Übertragungskapazität betrug in diesem Zeitraum etwa 8 Jahre. Die Basisdatenrate lag im Bereich zwischen 10 und 80 kHz, basierend auf Audioübertragungen. In dieser Zeit waren zunächst Kupferdrähte und dann Mikrowellen die primären Kommunikationstechnologien. In den achtziger Jahren begann dann eine explosionsartige Informationsrate, wobei Daten, Fax und Bilder zum Informationsstrom hinzugefügt wurden. Die neue Technologie der Glasfaserkommunikation unter Verwendung von Laserlichtquellen wurde entwickelt, um mit dieser neuen Nachfrage Schritt zu halten. Das Aufkommen des globalen Internets führte zu einer noch überraschenderen Explosion der Kapazitätsnachfrage. An der Datenquelle werden Computerterminals für den Zugriff auf das Internet in Haushalten und Unternehmen auf der ganzen Welt verwendet, wodurch die Datenraten exponentiell ansteigen. Wenn sich die Computer-Rate für Workstation 1000 MIPS nähert, sind Glasfaserkommunikationsverbindungen zum Computer im Bereich von 1000 MB / s erforderlich. Beachten Sie den Zufall dieser Raten und dass beide exponentiell ansteigen. Es ist klar, dass es eine exponentiell steigende Nachfrage nach Informationsübertragungskapazität geben wird. Aufgrund dieser Nachfrage hat sich die Informationskapazität einer einzigen Glasfaser in den letzten vier Jahren zwischen 1994 und 1998 in kommerziellen Systemen um das 160fache von 2,5 Gbit / s auf 400 Gbit / s erhöht.

  Diese erstaunliche Steigerung wurde erreicht, indem auf jeder Faser bis zu 100 verschiedene Laserwellenlängen (dichtes Wellenlängenmultiplexing, DWDM) verwendet wurden. Die Datenraten bei einer einzelnen Wellenlänge sind von zehn Mbits / s in den 70er Jahren auf derzeit 10 Gbit / s angestiegen, und 40 Gbit / s werden wahrscheinlich vor der Jahrhundertwende verwendet.

  Diese Informationsrevolution verändert die Weltgemeinschaft ebenso stark wie die Revolution der Druckpresse und die industrielle Revolution ihre Welten. Zwei der grundlegenden Technologien, die die Informationsrevolution unterstützen, sind der Halbleiter-Diodenlaser und der mit Erbium dotierte faseroptische Verstärker. Das mit Laseroszillatoren und -verstärkern verbundene geringe Rauschen, hohe Intensität und schmale Linienbreiten sind für Glasfaserkommunikationssysteme absolut unerlässlich. Inkohärente Quellen mit größerer Bandbreite, wie Leuchtdioden oder thermische Quellen, liegen um viele Größenordnungen unter den erforderlichen Intensitäten und Spektrallinienbreiten.

  Halbleiterlaserdioden wurden erstmals 1962 von GE, IBM und Lincoln Laboratories als Homoübergangsgeräte auf der Basis von III-V-Materialien demonstriert. Eine Geschichte dieser frühen Diodenlaser und Referenzen findet sich in Agrawal und Dutta (1993). Bei der ersten GaAs / AlGaAs-Raumtemperatur mit Heteroübergang wurden 1970 kontinuierlich arbeitende Diodenlaser von Hayashi und Panish betrieben (Hayashi et al., 1970). bei Bell Labs und Alferov (Alferov et al., 1970) in Russland wurden ihre Lebensdauern in Minuten gemessen. Die Zuverlässigkeit der Diodenlaser hat seitdem enorm zugenommen. Die Lebensdauer der Diodenlaser wird derzeit auf Hunderte von Jahren geschätzt, und die Wellenlängenstabilitäten sind über einen Zeitraum von 25 Jahren größer als 0,1 nm. Diese erstaunlichen Stabilitäten sind für die neuen DWDM-Systeme mit über 100 Wellenlängenkanälen in 100 nm Wellenlängenbereichen erforderlich. Als die optimale Wellenlänge für verlustarme Siliziumdioxidfasern in den 1970er Jahren in der Wellenlänge von 800 nm auf 1500 nm anstieg, folgten Diodenlaserwellenlängen, gefolgt von der Entwicklung von GaAs zum InGaAsP-System. In den späten achtziger und frühen neunziger Jahren ersetzten Quantentöpfe den Volumenhalbleiter im aktiven optischen Verstärkungsbereich, um die Betriebseigenschaften des Lasers zu verbessern. Ein schematisches Diagramm eines heutigen Telekommunikationsdiodenlasers, der in einen Elektroabsorptionsmodulator integriert ist, ist in 2 dargestellt. Die Gesamtabmessungen betragen weniger als 1 mm. Ein erhöhter Brechungsindexbereich und ein vergrabenes verteiltes Rückkopplungsgitter (DFB-Gitter) unterhalb der aktiven Quantentöpfe definieren den optischen Laserhohlraum bzw. die Laserwellenlänge.

Faseroptische Kommunikationssysteme stützen sich auch stark auf den in den späten 1980er Jahren entwickelten Erbium-dotierten Faserverstärker (Urquhart, 1988). Diese Verstärker haben einen hohen Pegel

FEIGE. 2. Eine schematische Darstellung einer Halbleiterlaserdiode mit einem Elektroabsorptionsmodulator, der in optischen Kommunikationssystemen verwendet wird. (Mit freundlicher Genehmigung von R.L. Hartman, Lucent Technologies) Verstärkung, typischerweise nahe 25 dB, und niedrige Rauschzahlen nahe der 3 dB-Quantenrauschgrenze für einen linearphasenunempfindlichen Verstärker. Die Verstärkung in diesen Verstärkern kann über Bandbreiten von bis zu 100 nm ausgeglichen werden, wodurch fast ein Viertel des verlustarmen Quarzglasfensters zwischen 1,2 und 1,6 µm Wellenlänge abgedeckt wird. Glasfasersysteme können über Tausende von Kilometern mit Hilfe von erbiumdotierten Faserverstärkern mit einem Abstand von etwa 80 km „transparent“ gemacht werden, wobei die Glasfaserverluste 20 dB betragen.

  Mit dem Ende des Jahrhunderts nähern wir uns rasch fundamentalen physikalischen Grenzen für Laser, optische Verstärker und Silikafasern. Die Laserlinienbreiten liegen im 10-MHz-Bereich, begrenzt durch grundlegende spontane Emissionsschwankungen und Verstärkungsindexkopplung in Halbleitermaterialien. Die Anzahl der Photonen in einem erfassten Informationsbit nähert sich der fundamentalen Grenze von ungefähr 60 Photonen an, die erforderlich ist, wenn Laserlichtfelder mit kohärentem Zustand verwendet werden, um eine Fehlerrate von weniger als einem Teil in 109 zu erhalten. sec / Hz wurde kürzlich demonstriert. Die Bandbreiten optischer Verstärker erstrecken sich noch nicht über die Breite von 400 nm des faserarmen Fensters mit niedrigem Verlust, sie wachsen jedoch schnell. Grundlegende Grenzen, die durch nichtlineare und dispersive Verzerrungen in Silica-Fasern auferlegt werden, machen die Übertragung bei Datenraten von über 40 Gbit / s über große Entfernungen sehr schwierig. Optische Solitonen können verwendet werden, um diese Verzerrungen auszugleichen, aber selbst bei Solitonen bleiben grundlegende Grenzen für Systeme mit hoher Bitrate und mehreren Wellenlängen. Die durch die Informationstheorie auferlegten Kanalkapazitätsgrenzen liegen am Horizont. Es ist zweifellos eine Herausforderung für die nächsten Jahrhunderte, noch mehr Informationsübertragungskapazität für den immer größer werdenden Kommunikationswunsch zu finden.

  V.MATERIALVERARBEITUNG UND LITHOGRAPHIE

  CO2- und Nd: YAG-Laser mit hoher Leistung werden für eine Vielzahl von Anwendungen zum Gravieren, Schneiden, Schweißen, Löten und 3D-Prototyping eingesetzt. Im Handel erhältliche HF-angeregte, abgeschirmte CO2-Laser mit Ausgangsleistungen im Bereich von 10 bis 600 W und einer Lebensdauer von über 10.000 Stunden. Zum Laserschneiden gehören Segelkleidung, Fallschirme, Textilien, Airbags und Spitze. Das Schneiden ist sehr schnell und präzise, ​​es gibt keine Kantenverfärbung und es wird eine saubere, verschmolzene Kante erhalten, die das Ausfransen des Materials beseitigt. Komplexe Designs sind in Holz, Glas, Acryl, Gummistempeln, Druckplatten, Plexiglas, Schildern, Dichtungen und Papier eingraviert. Dreidimensionale Modelle werden schnell aus Kunststoff oder Holz mithilfe einer CAD-Datei (Computer Aided Design) erstellt.

  Faserlaser (Rossi, 1997) sind eine neue Ergänzung im Bereich der Materialbearbeitung. Die ersten Faserlaser wurden in Bell Laboratories mit Kristallfasern demonstriert, um Laser für die Unterwasserlichtwellenkommunikation zu entwickeln. Bald wurden dotierte Quarzglasfaserlaser entwickelt. In den späten achtziger Jahren erfanden Forscher bei Polaroid Corp. und an der University of Southampton mantelgepumpte Faserlaser. Das den Führungskern umgebende Glas in diesen Lasern dient sowohl zum Leiten des Lichts im Einmodenkern als auch als Multimodeleitung für Pumplicht, dessen Ausbreitung durch eine äußere Polymerummantelung mit niedrigem Brechungsindex auf den Innenmantel begrenzt ist. Typische Betriebsschemata verwenden gegenwärtig einen Multimode-20-W-Diodenlaserstab, der effizient in den inneren Mantelbereich mit großem Durchmesser eingekoppelt wird und von dem dotierten Kernbereich über seine gesamte Länge (typischerweise 50 m) absorbiert wird. Die Dotierstoffe im Kern der Faser, die die Verstärkung bereitstellen, können Erbium für den Wellenlängenbereich von 1,5 um oder Ytterbium für den 1,1 um-Bereich sein. Hochwertige Hohlraumspiegel werden direkt an den Enden der Faser abgeschieden. Diese Faserlaser sind extrem effizient mit Gesamtwirkungsgraden von bis zu 60%. Die Strahlqualität und die Abgabeeffizienz sind ausgezeichnet, da der Ausgang als Einmodenausgang der Faser ausgebildet ist. Diese Laser haben jetzt Ausgangsleistungen im Bereich von 10 bis 40 W und eine Lebensdauer von fast 5000 Stunden. Derzeitige Anwendungen dieser Laser umfassen das Glühen von mikromechanischen Komponenten, das Schneiden von 25 bis 50 um dicken Edelstahlteilen, das selektive Löten und Schweißen von komplizierten mechanischen Teilen, das Markieren von Kunststoff- und Metallkomponenten sowie Druckanwendungen.

In der Photolithographie, die zur Herstellung von VLSI-Chips (Very Large Scale Integrated Circuit) verwendet wird, spielen Excimer-Laser eine Schlüsselrolle. Da sich die IC-Entwurfsregeln (Integrated Circuit) von 0,35 µm (1995) auf 0,13 µm (2002) verringern, muss die Wellenlänge der für die photolithographische Strukturierung verwendeten Lichtquelle entsprechend von 400 nm auf unter 200 nm abnehmen. In den frühen 1990er Jahren erzeugte die Quecksilberbogenstrahlung ausreichend Leistung bei ausreichend kurzen Wellenlängen von 436 nm und 365 nm für hohe Produktionsraten von IC-Bauelementen, die auf Konstruktionsregeln von 0,5 um bzw. 0,35 um ausgelegt waren. Wenn das Jahrhundert zu Ende geht, ersetzen Excimer-Laserquellen mit durchschnittlichen Ausgangsleistungen im Bereich von 200 W die Quecksilberbögen. Die Linienbreiten des Excimer-Lasers sind breit genug, um die Bildung von Fleckenmustern zu verhindern, jedoch schmal genug, mit einer Wellenlänge von weniger als 2 nm, um größere Probleme mit der Dispersion bei der optischen Abbildung zu vermeiden. Die Kryptonfluorid (KF) -Excimerlaserstrahlung bei einer Wellenlänge von 248 nm unterstützt Konstruktionsregeln von 0,25 um, und der ArF-Laserübergang bei 193 nm wird wahrscheinlich beginnend mit Konstruktionsregeln von 0,18 um verwendet. Bei noch kleineren Konstruktionsregeln bis 2008 mit 0,1 µm ist die Wellenlänge des F2-Excimer-Lasers bei 157 nm ein möglicher Kandidat, obwohl derzeit für diese Wellenlänge keine Photoresists entwickelt werden. Eine höhere Harmonie von Festkörperlasern ist auch als Hochleistungs-UV-Quelle möglich. Bei noch kürzeren Wellenlängen ist es für optische Elemente und Photoresists sehr schwierig, die Anforderungen in lithographischen Systemen zu erfüllen. Elektronenstrahlen, Röntgenstrahlen und Synchrotronstrahlung werden für die für 2010 und darüber hinaus erwarteten 70-nm-Entwurfsregeln immer noch berücksichtigt.

  VI.LASER IN DER MEDIZIN

  Laser mit Wellenlängen von Infrarot bis UV werden in der Medizin sowohl für diagnostische als auch für therapeutische Anwendungen eingesetzt (Deutsch, 1997). Laser interagieren mit inhomogenen Geweben durch Absorption und Streuung.

  Absorber umfassen Melanin-Hautpigmente, Hämoglobin im Blut und Proteine. Bei Wellenlängen von mehr als 1 µm ist der Hauptabsorber Wasser. Farbstoffe können auch zur selektiven Absorption in Gewebe eingebracht werden. Beispielsweise können in der photodynamischen Therapie Hämatoporphyrin-Farbstoff-Photosensibilisatoren, die im Wellenlängenbereich von 630 nm bis 650 nm absorbieren, in das System eingeführt und zur Behandlung von Krebstumoren durch lokale Laserbestrahlung im Harntrakt oder im Ösophagus verwendet werden. Streuung im Gewebe begrenzt das Eindringen von Strahlung; Bei einer Wellenlänge von 1 um begrenzt die Streuung beispielsweise die Eindringtiefe auf wenige Millimeter. Streuprozesse werden in der Hoffnung untersucht, hochauflösende Bilder für das Brustkrebs-Screening zu erhalten. Die Wechselwirkung des Lasers mit dem Gewebe hängt davon ab, ob der Laser gepulst oder in Richtung CW läuft. Kurze Laserpulse, bei denen während des Pulses keine thermische Diffusion auftritt, können verwendet werden, um die Tiefe der Lasereffekte zu begrenzen. Dieses Phänomen wird zusammen mit der selektiven Einstellung der Laserwellenlänge in der Dermatologie zur Behandlung von Hautläsionen und zur Entfernung von Besenreisern, Tätowierungen und Haaren verwendet. Auch nichtlineare Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle. Zum Beispiel wird der laserinduzierte Abbau zur Fragmentierung von Nieren- und Gallenblasensteinen verwendet.

Da das Innere des Auges mit Licht leicht zugänglich ist, waren Augenanwendungen die ersten weit verbreiteten Anwendungen von Lasern in der Medizin. Argonlaser werden seit vielen Jahren zur Behandlung von Netzhautablösungen und Blutungen aus Netzhautgefäßen eingesetzt. Die weit verbreitete Verfügbarkeit der CO2- und Nd: YAG-Laser, die Gewebe schneiden und gleichzeitig die Blutgefäße koagulieren, führte zu ihrer frühen Verwendung in der Allgemeinchirurgie. Der Er: YAG-Laser wurde vor kurzem für zahnärztliche Anwendungen mit dem Versprechen einer drastischen Verringerung der Schmerzen eingeführt, was sicherlich ein willkommener Beitrag der Lasertechnologie ist.

  Diagnoseverfahren unter Verwendung des Lasers breiten sich rasch aus. Einige Techniken werden in der klinischen Praxis häufig eingesetzt. Beispielsweise verwendet das Durchflusszytometer zwei fokussierte Laserstrahlen, um nacheinander die Fluoreszenz von Zellpartikeln oder Molekülen anzuregen, die in einer Flüssigkeit durch eine Düse strömen. Die gemessenen Fluoreszenzsignale können zur Zellsortierung oder Analyse verwendet werden. Routinemäßige klinische Anwendungen der Durchflusszytometrie umfassen die Immunphänotypisierung und die Messung des DNA-Gehalts. Durchflusszytometer werden verwendet, um eine große Anzahl menschlicher Chromosomen physikalisch zu trennen. Die sortierten Chromosomen stellen DNA-Templates für die Konstruktion von rekombinanten DNA-Bibliotheken für jedes der menschlichen Chromosomen bereit. Diese Bibliotheken sind ein wichtiger Bestandteil der Gentechnik.

  Eine neue auf Laser basierende medizinische Bildgebungstechnik (Guillermo et al., 1997), die auf der Lasertechnologie namens Optische Kohärenztomographie (OCT) basiert, erreicht eine räumliche Auflösung von Geweben im 10-µm-Bereich. Die Auflösungen von Ultraschall und Magnetresonanztomographie (MRI) sind auf den Bereich von 100 µm bis 1 mm begrenzt. Die neue OCT-Technik mit hoher Auflösung ist empfindlich genug, um Abnormalitäten im Zusammenhang mit Krebs und Arteriosklerose in einem frühen Stadium zu erkennen. Das OCT-Verfahren ähnelt dem Ultraschall, verwendet jedoch eine helle Infrarotlichtquelle mit breiter Spektralbandbreite und einer Kohärenzlänge nahe 10 µm, was zu mindestens einer Verbesserung der Auflösung um eine Größenordnung gegenüber akustischen und MRI-Techniken führt. Die Quelle kann eine Super-Lumineszenzdiode, ein Cr: Forsterit-Laser oder ein modengekoppelter Ti: Saphir-Laser sein. OCT führt die optische Bereicherung im Gewebe durch Verwendung eines faseroptischen Michelson-Interferometers durch. Da eine Interferenz nur beobachtet wird, wenn die optischen Weglängen der Probe und der Referenzarme des Interferometers mit der Kohärenzlänge der Quelle übereinstimmen, werden Präzisionsabstandsmessungen erhalten. Die Amplitude des reflektierten / gestreuten Signals als Funktion der Tiefe wird durch Variieren der Länge des Referenzarms des Interferometers erhalten. Ein Querschnittsbild wird erzeugt, wenn sequentielle axiale Reflexions- / Streuprofile aufgezeichnet werden, während die Strahlposition über die Probe gescannt wird. Kürzlich durchgeführte Studien haben gezeigt, dass OCT die Architekturmorphologie in stark streuenden Geweben wie Netzhaut, Haut, Gefäßsystem, Gastrointestinaltrakt und sich entwickelnden Embryonen abbilden kann. Ein Bild einer Kaninchen-Trachea, die mit dieser Technik in Verbindung mit einem Katheterendoskop erhalten wurde, ist in 3 gezeigt. OCT wird bereits klinisch für die Diagnose eines weiten Bereichs von retinalen Makulaerkrankungen verwendet.

Eine elegante und neuartige optische Technik unter Verwendung von spinpolarisierten Gasen (Mittleman et al., 1995) wird erforscht, um die MRI-Bilder der Lunge und des Gehirns zu verbessern. Kernspins in Xe und 3He Gasen werden mit zirkular polarisierter Laserstrahlung ausgerichtet. Diese ausgerichteten Kerne haben eine fast 105-fache Magnetisierung der Protonen, die normalerweise für die MRI-Abbildung verwendet werden. Xenon wird als Gehirnprobe verwendet, da es in Lipiden löslich ist. In Regionen wie der Lunge, die nicht genügend Wasser für kontrastreiche MRI-Bilder enthalten, liefert 3He die kontrastreichen Bilder. Man kann sogar den 3He-Fluss in der Lunge zur Funktionsdiagnostik beobachten.

  VII. Laser in der Biologie

  Laseranwendungen in der Biologie können mit zwei Beispielen veranschaulicht werden: Laserpinzetten und Zwei-Photonen-Mikroskope.

FEIGE. 3. Optische Kohärenztomographiebilder einer Kaninchentrachea in vivo. (a) Dieses Bild ermöglicht die Visualisierung verschiedener architektonischer Schichten, einschließlich Epithel (e), Schleimhautstroma (m), Knorpel (c) und Fettgewebe (a).

  Der Trachealismuskel (tm) kann leicht identifiziert werden. (B) Entsprechende Histologie. Stab, 500 µm Kopie. Wenn kollimiertes Laserlicht in der Nähe oder in einem kleinen dielektrischen Körper wie einer biologischen Zelle fokussiert wird, bewirkt die Brechung des Lichts in der Zelle einen Linseneffekt. Eine Kraft wird auf die Zelle durch Übertragung eines Impulses von dem gebogenen Lichtstrahl ausgeübt. Arthur Ashkin von Bell Laboratories (Ashkin, 1997) fand heraus, dass durch Variation der Form und Position des Fokusvolumens in einer mikroskopischen Anordnung eine Zelle mit diesen Laserpinzetten leicht bewegt oder eingefangen werden kann, wobei Lichtintensitäten nahe 10 W verwendet werden / cm2. Bei diesen Lichtpegeln und Wellenlängen im nahen Infrarot tritt keine wesentliche Schädigung oder Erwärmung der Zellbestandteile auf. Laserpinzetten werden jetzt verwendet, um subzelluläre Körper wie Mitochondrien innerhalb einer Zelle zu bewegen (Sheetz, 1998). Pinzetten-Techniken können auch verwendet werden, um DNA-Stränge für detaillierte Untersuchungen in lineare Konfigurationen zu strecken. Zwei Laserstrahlen können zum Stabilisieren einer Zelle verwendet werden, und ein dritter Laserstrahl mit einer anderen Wellenlänge kann für spektroskopische oder dynamische Untersuchungen verwendet werden. Gepulste Laser werden als „Scheren“ verwendet, um spezifische Modifikationen in Zellstrukturen vorzunehmen oder kleine Löcher in Zellmembranen zu machen, so dass Moleküle oder genetisches Material selektiv in die Zelle eingeführt werden können.

FEIGE. 4. (Farbe) Zwei-Photonen-Konfokalmikroskop-Fluoreszenzbild einer lebenden Purkenji-Zelle in einer Gehirnscheibe. Die Zellabmessungen liegen in der Größenordnung von 100 µm.

  Scanning-Konfokalmikroskopie und Zwei-Photonen-Mikroskopie sind hervorragende Beispiele für den Beitrag der Lasertechnologie zur Biologie. Die dreidimensionale Abbildung von Nervenzellen von fast 200 µm in funktionierende Gehirne und die Entwicklung von Embryonen ist nun Realität. Praktische konfokale Mikroskope kamen Ende der achtziger Jahre aufgrund zuverlässiger Laserlichtquellen zum Einsatz. Die Auflösung der Linse in einem konfokalen Mikroskop wird sowohl zum Fokussieren des Lichts auf einen beugungsbegrenzten Punkt als auch dann zum primären Abbilden der Signalphotonen, d. Obwohl hochauflösende 3D-Bilder erhalten werden, ist dieses Einzelphotonenschema eine verschwenderische Verwendung des Beleuchtungslichts, da ein Hauptanteil von der Apertur weggestreut wird oder von der Probe absorbiert wird. In der Fluoreszenzmikroskopie ist der Fotoschaden am Fluorophor ein besonders limitierender Faktor für die konfokale Einzelphotonenmikroskopie.

Die konfokale Multiphoton-Rastermikroskopie wurde 1990 eingeführt und löst viele der Probleme der Einphotonentechniken. Ein typisches Zwei-Photonen-Mikroskop verwendet kurze 100-fs-Impulse von einem im Ti: Saphir-Modus gesperrten Laser bei durchschnittlichen Leistungspegeln nahe 10 mW. Die hohe Intensität an der Spitze jedes Impulses bewirkt eine starke Zwei-Photonen-Absorption und Fluoreszenz nur innerhalb des kleinen Fokusvolumens, und die gesamte Fluoreszenzstrahlung kann für eine hohe Effizienz gesammelt werden. Das Anregungslicht wird für minimale Absorption und Schädigung einzelner Photonen ausgewählt, so dass die Zwei-Photonen-Technik eine sehr hohe Auflösung, geringe Schädigung und ein tiefes Eindringen aufweist.

  Ein schönes Zwei-Photonen-Fluoreszenzbild einer lebenden Purkenji-Zelle in einer Gehirnscheibe ist in 4 gezeigt (Denk und Svoboda 1997). Neokortikale pyrimide Neuronen in den Schichten2 und 3 des somatosensorischen Kortex der Ratte wurden in Tiefen von 200 µm unterhalb der Gehirnoberfläche abgebildet. Noch beeindruckender sind Filme der Embryonalentwicklung. Die Embryomikroskopie ist besonders empfindlich gegen Lichtschäden und die Zwei-Photonen-Technik eröffnet neue Perspektiven auf diesem Gebiet.

  VIII. Laser in der Physik

  Die Lasertechnologie hat im gesamten elektromagnetischen Spektrum eine Renaissance der Spektroskopie ausgelöst. Die enge Laserlinienbreite, große Leistungen, kurze Impulse und ein breiter Wellenlängenbereich ermöglichten neue dynamische und spektrale Untersuchungen von Gasen, Plasmen, Gläsern, Kristallen und Flüssigkeiten. Seit der Erfindung des Lasers blühten beispielsweise Raman-Streustudien von Phononen, Magnonen, Plasmonen, Rotonen und Anregungen in 2D-Elektronengasen. Nichtlineare Laserspektroskopien haben zu einer starken Erhöhung der Präzisionsmessung geführt, wie in einem Artikel in diesem Band beschrieben (Haensch und Walther 1999).

  Frequenzstabilisierte Farbstofflaser und Diodenlaser, die genau auf atomare Übergänge abgestimmt sind, haben zu ultrakalten Atomen und Bose-Einstein-Kondensaten geführt, die ebenfalls in diesem Band beschrieben werden (Wieman et al., 1999). Die atomare Zustandskontrolle und Messungen der Nichtkonservierung der atomaren Parität haben eine Genauigkeit erreicht, die das Testen des Standardmodells in der Teilchenphysik sowie die Suche nach neuer Physik über das Standardmodell hinaus ermöglicht. In neueren Paritäts-Nichtkonservierungsexperimenten (Wood et al., 1997) werden Ce-Atome in bestimmten elektronischen Zuständen hergestellt, wenn sie zwei rote Diodenlaserstrahlen durchlaufen. Diese vorbereiteten Atome treten dann in einen optischen Hohlraumresonator ein, wo die Atome durch grünes Licht hoher Intensität, das von einem frequenzstabilisierten Laser in den Hohlraum injiziert wird, auf ein höheres Energieniveau angeregt werden. In diesem Anregungsbereich können angelegte elektrische und magnetische Felder umgekehrt werden, um eine gespiegelte Umgebung für die Atome zu schaffen.

  Nachdem das Atom den Anregungsbereich verlassen hat, wird die Atomerregungsrate durch einen dritten Laser für rote Dioden gemessen. Sehr kleine Änderungen dieser Erregungsrate mit einer Spiegelung der angelegten elektrischen und magnetischen Felder zeigen an, dass die Parität nicht konserviert ist. Die Genauigkeit der Paritäts-Nichtkonservierungsmessung hat sich über mehrere Jahrzehnte auf 0,35% erhöht. Diese Messgenauigkeit entspricht der ersten endgültigen Isolation einer Atomspin-abhängigen Atomparitätsverletzung. Bei dieser Genauigkeitsstufe ist es klar, dass eine Komponente der Elektron-Kern-Wechselwirkung auf ein Kern-Anapol-Moment zurückzuführen ist, ein magnetisches Moment, das sichtbar gemacht werden kann, indem es durch toroidale Stromverteilungen im Kern erzeugt wird.

Laser tragen auch zur Astrophysik bei. In den ersten Experimenten wird ein Nd: YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm verwendet, um Gravitationswellen aus Quellen wie Supernovas und umkreisenden Neutronensternen zu ermitteln.

  Diese Experimente verwenden Interferometer, die in der Lage sein sollten, eine Längenänderung zwischen den beiden Interferometerarmen 1022 mit einer Genauigkeit von einem Teil zu messen. Ein Weltraumsprung dieser Größenordnung wird für Gravitationsstrahlung aus astrophysikalischen Quellen vorhergesagt. Die terrestrischen Experimente heißen in den USA LIGO (Light Interferometer Gravitational Wave Observatory) und in Europa GEO. Ein weltraumgestütztes Experiment namens LISA (Light Interferometer Space Antenna) ist ebenfalls in Arbeit. Die LIGO-Interferometerarme sind jeweils 4 km lang. Für die Lichtquelle ist ein frequenzstabiler, rauscharmer Laser mit hoher räumlicher Strahlqualität und einer Leistung von 10 W erforderlich. Hohlraumspiegel bilden in jedem Interferometerarm Resonatoren, die die Leistung in den Hohlräumen auf nahezu 1 kW erhöhen. Vier Nd: YAG-Stäbe, die jeweils von zwei 20-W-Diodenstäben gepumpt werden, verstärken den Einzelfrequenzausgang eines nichtplanaren Ringoszillators von 700 mW auf mindestens 10 W. Um die erforderliche Empfindlichkeit zum Erfassen von Gravitationswellen zu erreichen, muss jeder Interferometerstreifen auf eins aufgelöst werden Teil von 1011, ein beachtliches, aber hoffentlich erreichbares Ziel.

  IX.FUTURE LASER TECHNOLOGIES

  Die Laser- und Laserbeschleuniger für freie Elektronen sind Beispiele für die Entwicklung von Lasertechnologien, die im nächsten Jahrhundert große Auswirkungen haben können. Der Freie-Elektronen-Laser (FEL) basiert auf der optischen Verstärkung eines relativistischen Elektronenstrahls, der in einem periodischen Magnetfeld schwankt (Sessler und Vaugnan, 1987). Elektronenstrahlbeschleuniger auf der Basis supraleitender Mikrowellenhohlräume werden in einem neuen FEL-Zentrum in Jefferson Laboratories entwickelt. Diese beschleunigenden Hohlräume erzeugen hohe Felder im Bereich von 10 bis 20 MeV / m und ermöglichen eine sehr effiziente Erzeugung von FEL-Licht, das vom Infrarot bis zum tiefen Ultraviolett mit durchschnittlichen Leistungswerten im Kilowattbereich eingestellt werden kann (Kelley et al., 1996). . Derzeit ist ein Infrarot-FEL mit einer durchschnittlichen Leistung von 1 kW kurz vor dem Abschluss und ein Upgrade auf einen starken, tiefen UV-FEL ist in Planung. Bei diesen immensen Kräften kann eine Reihe neuer Technologien kommerziell interessant sein. Kurze, intensive FEL-Impulse ermöglichen ein schnelles Tempern und Reinigen von Metalloberflächen. Durch gepulstes Laser-Tempern kann sich die Härte von Werkzeugmaschinen um fast eine Größenordnung erhöhen. Die hohen durchschnittlichen FEL-Leistungen können ausreichen, um die kommerzielle Herstellung von laseroptischen Werkzeugen Wirklichkeit werden zu lassen. Ein weiterer großer Markt, der hohe Leistungen für die Verarbeitung großer Volumina erfordert, sind Polymerumhüllungen und -tücher. In diesem Fall können intensive FEL-Pulse einen weiten Bereich modifizierter Polymereigenschaften induzieren, einschließlich antibakterieller Polymeroberflächen, die für Lebensmittelverpackungen und Kleidung mit ansprechenden Strukturen und verbesserter Haltbarkeit verwendet werden können. Hohe durchschnittliche Leistungen und Wellenlängenabstimmbarkeit sind ebenfalls wichtig für das Strukturieren von Mikrobearbeitungswerkzeugen mit großer Fläche, die zum Einprägen von Mustern in Kunststoffplatten verwendet werden.

Petawattclass-Laser können die Basis für eine neue Generation von Teilchenbeschleunigern bilden. Die Frequenz der derzeit verwendeten Mikrowellenfeldbeschleuniger wird wahrscheinlich durch selbst erzeugtes Aufwecken auf weniger als 100 GHz begrenzt, wenn die Beschleunigungsfelder den Bereich von 100 MeV / m erreichen. Intensive Laserstrahlen werden verwendet, um viel höhere Felder im Bereich von 100 GeV / m zu erzeugen (Madena et al., 1995). Beispielsweise verwendet eine Technik zwei Laserstrahlen, deren Differenzfrequenz auf die Plasmafrequenz eines durch den Laser ionisierten Gases abgestimmt ist. Beschleunigungsfelder von bis zu 160 GeV / m können zwischen den periodischen Raumladungsbereichen der Plasmawelle erzeugt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten dieser gigantischen Felder können so angepasst werden, dass sie mit den relativistischen Geschwindigkeiten der beschleunigten Teilchen übereinstimmen. Es bleibt noch viel zu tun, um praktische Beschleuniger zu erreichen, aber der Beweis des Prinzips wurde bereits erreicht.

  Die Entwicklung von Lasertechnologien und ihre Beiträge zur Wissenschaft sind zu zahlreich, um sie in diesem kurzen Überblick angemessen zu behandeln. Die Laserkommunikation zwischen Satellitennetzwerken, lasergesteuerten Weltraumfahrzeugen und Laser-Fusion sind weitere Beispiele für die Entwicklung von Lasertechnologien. In den Grundlagenwissenschaften gibt es viele neue Experimente, die durch die Lasertechnologie ermöglicht werden, einschließlich der Korrektur atmosphärischer Verzerrungen in der Astronomie unter Verwendung von Laserreflexionen von der Natriumschicht in der oberen Atmosphäre und Untersuchungen der Quantenelektrodynamik unter Verwendung ultrinichter Laserstrahlen. So wie sich das Potenzial der Lasertechnologien in den 1960er und 1970er Jahren nur schwer vorstellen konnte, scheint es klar, dass wir uns jetzt nicht vorstellen können, welche neuen Entwicklungen bei Lasern und deren Anwendungen im nächsten Jahrhundert zu sehen sein werden. Unsere neue Laserlichtquelle berührt uns alle, sowohl in unserem normalen Leben als auch in der Welt der Wissenschaft.