fasten your seatbelt
Physik
        Werbung  Mitglied beim page2page- Bannertausch Werbung
Mitglied bei page2page


Der Laser:

Gliederung:

Geschichte  
Der Laser  
  Natürliches Licht
  Laserstrahlung
  Praxis
Eigenschaften der Laserstrahlung  
  Kohärenz
  Bündelung und Divergenz
  Bandbreite
  Intensitätsverteilung
  Leistungsdichte
  Fokussierung
  Strahlqualität
Lasertypen  
  Festkörperlaser
  Farbstofflaser
  Halbleiterlaser
  Gaslaser
Schutzklassen  
Anwendung  
  Strichcodelesegerät
  Optische Datenspeicher / Compact Discs
  Laserdrucker
  Präzisionslängenmessung
  Medizin
  Materialbearbeitung
  Waffensysteme
  Hochleistungslaser
Literaturangabe  

Geschichte:

Die Vorgeschichte des Lasers wird oft auf Albert Einstein zurückgeführt. Er war derjenige, der den Begriff der induzierten Emission einführte. Weitere wichtige Schritte in der Geschichte des Lasers sind folgender Tabelle zu entnehmen.

Der Laser:

Laser ist die Abkürzung für den englischen Begriff "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", deutsch bedeutet dies Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission. Der Laser enthält also ein aktives Medium, z.B. einen dotierten Rubin, welches das Licht verstärken kann. Im Laser erfolgt eine Rückkopplung durch einen optischen Resonator, z.B. zwei Spiegel, zwischen denen sich das aktive Medium befindet. Die Aussendung des Lichtes erfolgt durch einen durchlässigen Spiegel.

Natürliches Licht:

Als Licht ist jede Energieabstrahlung definiert, die durch Zustandsänderung in Atomen unter Verringerung deren innerer Energie entsteht. Träger des Lichtes sind die Photonen, masselose Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie übertragen die Energie des Lichtes, die von dessen Frequenz abhängig ist. Nach dem Atommodell von Niels Bohr (1885-1962) umlaufen die Elektronen den Atomkern auf bestimmten "stationären" Bahnen. Dort gibt es einen Ausgleich zwischen der Fliehkraft und der elektrischen Anziehungskraft, somit bewegen sich die Elektronen auf diesen Quantenbahnen ohne Energieverlust. Je weiter eine solche Bahn vom Atomkern entfernt ist, desto höher ist das Energieniveau. Die Elektronen können die Quantenbahnen wechseln und somit auch das Energieniveau des Atoms ändern. Der Sprung eines Elektrons auf eine äußere Quantenbahn und somit die Erhöhung des Energieniveaus kann nur nach einer Energieabsorption, z.B. der Aufnahme eines Photons, stattfinden. Dagegen wird beim Sprung eines Elektrons auf eine innere Quantenbahn Energie freigesetzt, z.B. durch Abstrahlung eines Photons. Die Energie des Photons berechnet sich nach folgender Formel:

Die Anregung eines Elektrons seine Quantenbahn zu wechseln kann nicht nur durch Lichtenergie, sondern auch durch chemische Energie (Wärme) und elektrische Energie geschehen. Diese Anregung dauert nur kurze Zeit (bei Wasserstoff 1E-8s), danach kehrt das Elektron wieder in seinen Grundzustand zurück und gibt dabei Energie ab.


Laserstrahlung:

Bei der Entstehung von Laserstrahlung werden die Atome zum Wechsel ihres Energieniveaus künstlich durch Energiezufuhr angeregt, man spricht von stimulierter Energieabsorption. Da aber jedes System bestrebt ist seinen niedrigsten Energiezustand einzunehmen, versucht das Atom wieder in seinen Grundzustand zurückzukehren, wozu es aber die aufgenommene Energie wieder abgeben muss. Natürliches Licht wird durch spontane Emission ausgesandt. Das Atom kehrt von selber wieder in seinen Grundenergiezustand zurück, die dabei erzeugte Strahlung entspricht der zugeführten Energie, es findet also keine Verstärkung statt. Laserlicht entsteht durch induzierte Emission. Hiebei wird die Rückkehr in den Grundzustand durch zusätzliche Energiezufuhr bewirkt, wobei die ausgesandte Strahlung meist eine niedrige Frequenz hat. Außerdem findet bei der induzierten Emission eine Energieverstärkung statt, somit kann es bei Übersteigung der Verluste durch die hin- und herlaufende Welle zu Selbsterregung kommen.

Praxis:

Mit einem Zwei-Niveau-System ist es sehr schwierig Laserstrahlung im optischen Bereich zu erzeugen, deshalb verwendet man Mehr-Niveau-Systeme. Drei-Niveau-System: Hier findet die Anregung bis auf einen Zustand statt, der über dem Laserausgangsniveau liegt, aber eine noch kürzere Lebensdauer besitzt. Das Laserausgangsniveau besitzt dagegen eine sehr große Lebensdauer. Beim Übergang vom Laserausgangsniveau in den Grundzustand findet die Abstrahlung von Energie in Form eines Laserstrahls statt. Allerdings müssen hierfür mindestens 50% der Atome angeregt werden. Vier-Niveau-System: Es ist ähnlich aufgebaut wie ein Drei-Niveau-System, allerdings befindet sich das Laserendniveau noch über dem Grundzustand.


 

Eigenschaften der Laserstrahlung:

Im Gegensatz zu natürlichem Licht, das ein regelloses Frequenz darstellt, besitzt das kohärente Strahlungsfeld der Laserstrahlung spezielle Eigenschaften.

Kohärenz:

Kohärenz ist die Interferenzfähigkeit von endlichen Wellengruppen mit gleicher mittlerer Frequenz. Diese ist beim Laser gegenüber dem natürlichen Licht sehr hoch.

zeitliche Kohärenz: Zeitliche Kohärenz tritt bei konstanter Phasendifferenz zweier Wellen gegeneinander ein. Eine Phase ist die zeitliche Entfernung eines Schwingungspunktes vom Nullpunkt. Angegeben wird die Zeit, die eine Welle benötigt, um ihre Phase gegenüber einer Bezugswelle um ? zu ändern. Die Anzahl der kohärenten Wellenlängen berechnet man nach folgender Formel:

räumliche Kohärenz: Die räumliche Kohärenz läßt sich durch folgende Formel berechnen:

Je größer also die Entfernung der Quelle zum Beobachter ist, desto größer ist auch die räumliche Kohärenz.


Laserlicht ist eine sehr gleichmäßige Welle, bei der spezielle Effekte der Beugung und Interferenz auftreten.

Je größer die Kohärenz eines Laserstrahles ist, desto besser eignet er sich für die Meßtechnik.

Bündelung und Divergenz:

Der Laserstrahl weist eine hohe Bündelung auf. Die Strahlen des natürlichen Lichtes verlaufen dagegen nicht parallel und weisen Divergenz auf. Durch dieses Auseinanderlaufen der Lichtstrahlen wie beim Lichtkegel einer Taschenlampe verteilt sich die Energie und erfährt somit eine Dämpfung. Eine Lichtquelle, die einen geringen Durchmesser, aber einen Divergenzwinkel von ? = 10 besitzt ergibt sich nach 5km bereits ein Strahldurchmesser von 882m. Bei einem Laser ist dieser Divergenzwinkel sehr klein, somit kann man mit einem Laser Energie über sehr weite Strecken übertragen.

Bandbreite:

Die Bandbreite ist der Bereich, in dem die Amplitude zwischen 50% und 100% liegt. Dieser Bereich ist beim Laser sehr gering, wodurch sich die Monochromasie, die Einfarbigkeit, der Laserstrahlung ergibt. Die Bandbreite ist abhängig von der Anregungsdauer (je größer desto besser) und wird nach folgender Formel berechnet:

Die Bandbreite bestimmt das Auflösungsvermögen des Lasers und ist somit ausschlaggebend für die Genauigkeit eines mit dem Laser durchgeführten Meßvorgangs.


Intensitätsverteilung:

Ein Laserstrahl besitzt keine scharfe Abgrenzung. Seine Intensität wird nach außen immer kleiner. Für den Radius eines Laserstrahles ist deshalb die Strecke definiert, die sich zwischen der Intensität 100%, dem Zentrum des Laserstrahles, und einer Intensität von 13,5%, dessen Rand, befindet. Dieser Radius ist allerdings beim Laser sehr klein.

Leistungsdichte:

Die sehr hohe Leistungsdichte des Lasers ist in dessen Zentrum am größten und läßt sich nach folgender Formel berechnen:

Bei einem Laser mit einer Leistung von 1,5W und einem Radius von 0,05cm beträgt die Leistungsdichte somit ca. 40kW/cm². Die Sonne besitzt zum Vergleich eine Leistungsdichte von 0,14W/cm².

Fokussierung:

Laser lassen sich sehr gut fokussieren, da ihre Strahlung monochrom und kohärent ist. Dadurch kann man ihre Leistungsdichte weiter erhöhen. 10W Ausgangsleistung können auf eine Leistungsdichte von 5GW/cm² erhöht werden. Allerdings erfolgt die Fokussierung eines Laserstrahles nicht geradlinig, eine Besonderheit ist die schlauchförmige Einschnürung des Strahls.

Strahlqualität:

Die Strahlqualität des Lasers ist sehr gut, da das Produkt aus Strahlradius und Divergenzwinkel sehr klein ist. Die Strahlqualität ist jedoch von der Leistung des Lasers abhängig.

 

Lasertypen:

Festkörperlaser:

Der erste überhaupt entwickelte Laser zählt zu den Festkörperlasern. Das laseraktive Medium bildet hierbei ein Rubinkristall, der heute vorwiegend synthetisch hergestellt wird. Dazu wird Aluminium(III)oxid mit Chromatomen dotiert, welche die eigentlich laseraktiven Medien darstellen. Neodymatome eignen sich ebenfalls zum dotieren von Kristallen. Die Energiezufuhr bei Festkörperlasern erfolgt meist durch optisches Pumpen mit einer Blitzlampe.

Neodymlaser: Der Neodymlaser ist einer der wichtigsten Vertreter der Festkörper- laser. Ein YAG-Kristall (=Yttrium-Aluminium-Granat) wird mit Nd-Atomen (Neodym- atomen) dotiert. Ein Nd-Laser strahlt im nahen infraroten Bereich mit einer Wellenlänge um 1,06?m. Die Leistung reicht von etwa 10Watt bis in den Kilowatt- ,bei neueren Geräten gar in den Gigawatt-Bereich. Diese Laser finden in der Mikromaterialbearbeitung und in der Medizin Anwendung.

Farbstofflaser:

Schon zu Beginn der Laserforschung wurde erfolgreich versucht die Fluoreszenz von Farbstoffen für die Lasertechnik nutzbar zu machen. Fluoreszenz ist die Eigenschaft bestimmter Stoffe nicht sichtbares Licht (z.B. UV-Licht) in sichtbares umzuwandeln. In de Resonator befindet sich eine Küvette mit einer geeigneten Farbstoff- lösung. Diese Farbstofflösung wird durch eine Blitzlampe oder einen Pumplaser zur Lasertätigkeit angeregt. Das Ergebnis ist ein Laser mit verstellbaren Wellenlängen. Dieser Laser hat seine Aufgabenbereiche im Umweltschutz und in der Analysetechnik gefunden.

Halbleiterlaser:

Der erste Halbleiterlaser wurde 1961 entwickelt. Dieser Lasertyp ist von großem wirtschaftlichen Interesse. Seine Vorteile, wie kleine Abmaßungen und gute Intergrierbarkeit in elektronische Bauteile, sind vor allem für Telefongesellschaften interessant und wird in berträchtlichen Stückzahlen produziert. Der wichtigste Vertreter ist der GaAs-Laser (Galiumarsenid). An diesen werden hohe Erwartungen für die zukünftige Lasertechnik gestellt.

Gaslaser:

Bei den Gaslasern unterscheidet man Atomare Laser, Infrarot-Laser, Ionen-Laser und UV-Moleküllaser.

Atomare Laser: Der typischste Vertreter der Atomare Laser ist der He-Ne-Laser, welcher vor allem in der Meßtechnik Anwendung findet. Dafür ist seine relativ geringe Strahlungsleistung ausreichend. Der He-Ne-Laser strahlt im sichtbaren Spektralberich. Neben Rot gibt es auch gelbe, orange und grüne Farbvarianten der Laserstrahlung.

Infrarot-Molekül-Laser: Aus dieser Gattung ist besonders der Co2-Laser zu nennen. Dieser hat große Bedeutung für die Materialbearbeitung und die Medizin. Die Leistungen dieses Lasers liegen bei einigen 10 bis einigen 100 Watt. Dieser Laser erfordert aber einen Katalysator, da bei dem Laservorgang CO entsteht.

Ionen-Laser: Zu den Ionen-Lasern gehört unter anderem der Argonlaser, welcher oft in der Augenheilkunde angewendet wird. Die Laseraktiviät wird durch Ionen hervorgerufen. Diese bilden sich durch eine so hohe Gasentladung, daß den Argon-Atomen ein Elektron ent- rissen wird. Der Aufbau ist sehr kompliziert, da hohe Ströme erforderlich sind und eine große Wärmeentwicklung stattfindet.

UV-Moleküllaser: Diese Laser werden ebenfalls häufig in der Augenheilkunde angewendet. Trotz der Erheblichen Materialprobleme ist es besonders der deutschen Industrie gelungen diesen Laser nutzbar zu machen. Diese Materialprobleme kommen dadurch zustande, daß Halogene ein wesentlicher Bestandteil dieser Laser sind. Beim Excimer-Laser z.B. werden ein Edelgas, in diesem Fall Argon, und ein Halogen, häufig Fluor, durch eine Gasentladung zur Reaktion gebracht. Dabei entsteht für etwa 10E-8s ArF*. Bei der Dissoziation Entsteht Laserstrahlung. Die auftretende Strahlung liegt im ultravioletten Bereich. Ähnlich funktioniert der N2-Laser. Hier treten aber keine Materialprobleme auf, da man aggressive Gase umgeht. Der N2-Laser dient vor allem zum pumpen von Farbstofflasern und in der Photochemie.

 

Schutzklassen:

Unterschiedliche Laser sind unterschiedlich gefährlich in ihrer Strahlung. Man teilt folglich alle Laser in sog. Schutzklassen ein:

- Klasse1: Die zugängliche Laserstrahlung ist absolut ungefährlich

- Klasse2: Die Laserstrahlung liegt im sichtbaren Bereich (400 - 700nm Wellenlänge); eine kurzzeitige Bestrahlungsdauer (bis 0,25s) ist ungefährlich für das Auge

- Klasse3a: Die Strahlungsleistung muß weniger als 25W pro m2 betragen

- Klasse3b: Die Laserstrahlen dieser Klasse sind gefährlich für die Augen und oft auch für die Haut; die Strahlungsleistung liegt unter 500mW; alle HeNe-Laser über 1mW Leistung

- Klasse4: Die Laser dieser Klasse stellen eine große Gefahr für die Augen und für die Haut dar; es besteht Brand- und Explosionsgefahr

 

Anwendung des Lasers:

Strichcodelesegeräte:

Strichcodelesegeräte sind zur Identifizierung von Waren und Preisen durch einen Barcode die am weitesten verbreitete Anwendung des Lasers. Die Information wird durch parallele Streifen dargestellt, wobei schwarze für den Computer den Wert 1 und helle den Wert 0 haben. Die Messung erfolgt über die zurückgestreute Strahlung des Lasers. Störanfälle werden vermieden, da das Lesegerät eine schräge Abtastung mit differierender Geschwindigkeit zuläßt.

Optische Datenspeicher / Compact Discs:

1972 wurde von Bosch und Philips die erste CD vorgestellt. Ab 1976 beteiligte sich auch Sony an der Entwicklung der AudioCD, bis diese 1982 auf dem Markt eingeführt wurde.

Aufbau: Die CD besteht aus Kunststoff, in den Vertiefungen, die "pits" eingeprägt sind, welche für den Computer den Wert 1 haben, die Ebenen, "lands" haben für den Computer den Wert 0. Diese Ebene wird mit einer Aluminiumschicht verspiegelt und mit einem Schutzlack überzogen.

Lesevorgang: Zum Lesen der CD wird ein GaAlAs-Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 790 nm und 0,22mW Leistung eingesetzt. Beim Multibeamverfahren moderner 40- bis 60fach CD-ROM-Laufwerke wird dieser Laserstrahl in sieben Teilstrahlen aufgespalten. Diese werden durch Linsen auf die CD fokussiert. Sechs Strahlen dienen der Abtastung der CD, der mittlere Strahl dient der Spurführung. Die CD dreht sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 8450U/min bei einem 40fach CD-ROM-Laufwerk, wodurch die Laserstrahlen die CD von innen nach außen Spur für Spur abtasten können. Trifft der Laserstrahl auf eine Ebene, so wird er reflektiert und von einem Photodetektor aufgenommen. Trifft er jedoch auf eine Vertiefung, so wird er zerstreut und gelangt nicht auf den Photodetektor.

Vorteile: Eine CD besitzt im Gegensatz zu Magnetbändern eine höhere Speicherqualität, eine höhere Speicherkapazität und eine höhere Haltbarkeit, da sie sich nicht entmagnetisiert.


Laserdrucker:

Laserdrucker zeichnen sich durch ein sehr gutes Druckbild und eine hohe Druckgeschwindigkeit aus.

Druckvorgang: Die Trommel des Laserdruckers wird durch Hochspannung elektrisch negativ aufgeladen. Durch den Laserstrahl wird diese punktuell wieder entladen. Diese entladenen Bereiche nehmen die elektrisch negativ geladenen Tonerteilchen an. Nach der Übertragung auf das Papier werden diese durch Hitze und Druck angehärtet. Die Trommel wird dann durch den Laser gesamt entladen und der nächste Druckvorgang kann beginnen.

Präzisionslängenmessung:

Wegen seiner hohen räumlichen Kohärenz und seiner geringen Divergenz kann man den Laser sehr gut zur Längenmessung einsetzen. Dabei wird die Laufzeit eines reflektierten Laserstrahles gemessen und daraus die Entfernung des Reflexionspunktes berechnet.

Medizinische Anwendung:

Eines der Hauptanwendungsgebiete des Lasers stellt die Medizin dar. Hier werden Laser nicht nur zur Forschung sondern oftmals auch in der Behandlung eingesetzt. Der Einsatz von Lasern bei Operationen bietet eine effektivere, sehr oft schmerzlosere und komplikations- ärmere Behandlungsweise. Außerdem ist die Handhabung von Laserskalpellen wesentlich einfacher als bisher verwendetes Operationsbesteck. Laser ermöglichen unter anderem einen blutungslosen Schneidevorgang sowie das Verdampfen und Zusammenfügen von Gewebs- schichten. Konkrete Anwendungsgebiete sind folgender Tabelle zu entnehmen:

- Onkologie: Lehre von Geschwulsten und Tumoren

- Ophtalmologie: Augenheilkunde

- Angioplastie: anderes Wort für Ballondilatation (Erweiterung verengter Gefäße)

- Gastroenterologie: Lehre von den Verdauungsorganen

- Dermatologie: Lehre von Haut- und Geschlechtskrankheiten

- Gynäkologie: Frauenheilkunde

-Urologie: med. Fachgebiet zur Erkennung von Harnorganerkrankungen

- Neurochirurgie: Nervenheilkunde


Materialbearbeitung:

CO2- und Nd-Laser werden zur Materialbearbeitung eingesetzt. Sie schneiden, schweißen, beschriften und bohren mit einer Leistung von 100W bis 25kW. Mit Hilfe der Fokussierung durch eine Linse erreichen sie eine sehr hohe Leistungsdichte mit der sie das Material verdampfen. Dadurch ist das Schneiden komplizierter Figuren auch in besonders harten Materialien möglich. Außerdem zeichnen sich diese Laser durch sehr kleine Schweißpunkte aus. Sie können auch zur Härtung von Oberflächen und zur präzisen Beschriftung auch auf besonderen Materialien eingesetzt werden

Waffensysteme:

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Laser ist im militärischem Bereich zu finden. Hier macht man sich die Reflexion des Laserstrahls zunutze um militärische Ziele anzupeilen. Häufig wird dies bei Bombenabwürfen angewandt. Das Flugzeug peilt mittels eines Laserstrahls das Ziel an. Die Steuerungseinheit in der Bombe richtet sich auf die Frequenz des reflektierten Laserstrahls ein und steuert den Sprengkörper bis auf wenige Zentimeter an das Ziel heran. Lasergesteuerte Bomben sind unter anderem die GBU55 und die CMB18. Die GBU55 ist eine 250kg schwere Bombe, die bei einem Einsatz gewaltige Schockwellen und folglich erhebliche Gebäudeschäden verursacht. Die Zündung erfolgt in 2 Abschnitten. Bei einer ersten Explosion werden Treibstoffdämpfe freigesetzt, die bei einer weiteren Detonation explodieren. Bei dem Anriff auf Militärflughäfen ist diese Bombe jedoch kaum geeignet, da das Hauptangriffsziel vielfach die Rollbahn ist. Hier findet die 900kg schwere CMB18 Anwendung. Diese Bombe zeichnet sich dadurch aus, daß sie viele asphaltdurchschlagende Minibomben ausstößt. Um die Reparaturarbeiten nachhaltig zu behindern detonieren einige dieser Bomben erst bei Berührung, andere in unregelmäßigen Zeitabständen.

Hochleistungslaser:

Hochleistungslaser werden besonders in der Materialbearbeitung verwendet, da sie eine hohe Leistung (von mehreren Kilowatt) besitzen. Weiterhin werden sie zur Aufheizung von Wasserstoff auf eine Millionen Grad Celsius benutzt, um diesen zur Kernfusion zu bringen.

 

 

Literaturangabe:

- Das ABC der Lasertechnik. Stratis Karamanolis. Elektra Verlags GmbH. München. 1990.

- Laser High-Tech mit Licht. Hans Joachim und Jürgen Eichler. Springerverlag. Berlin. 1995.

- Brockhaus. ABC Physik. Brockhausverlag. Leipzig. 1973.

- Was Ist Was. Band 100. Multimedia und virtuelle Welten. Tessloff Verlag. Nürnberg. 1995.

- PC Intern. Ausgabe12/98. Artikel Multibeam. Zen Research.

- win. Ausgabe 4/95. Artikel Toner, Wachs und Tintenfleck. Florian Heise.

- Urania. Ausgabe 1/89. Neues vom Laser.

 

Copyright 1999 fys-online.de ( Thomas Bräuer and Sven Döring )