Laser

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
(Weitergeleitet von Drei-Niveau-Laser)
Wechseln zu: Navigation, Suche
Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Laser (Begriffsklärung) aufgeführt.
Verschiedenfarbige Laser
Demonstrationslaser: In der Mitte ist das Leuchten der Gasentladung zu sehen, die das Lasermedium anregt. Der Laserstrahl ist rechts als roter Punkt auf dem weißen Schirm zu erkennen.

Laser [ˈleɪzə], [ˈleːzə] oder [ˈlaːzə] (Akronym für engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation „Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“) ist ein Begriff aus der Physik. Er bezeichnet sowohl den physikalischen Effekt als auch das Gerät, mit dem Laserstrahlen erzeugt werden.

Laserstrahlen sind elektromagnetische Wellen. Vom Licht einer zur Beleuchtung verwendeten Lichtquelle, beispielsweise einer Glühlampe unterscheiden sie sich vor allem durch die sonst unerreichte Kombination von hoher Intensität, sehr engem Frequenzbereich (monochromatisches Licht), scharfer Bündelung des Strahls und großer Kohärenzlänge. Auch sind, bei sehr weitem Frequenzbereich, extrem kurze und intensive Strahlpulse mit exakter Wiederholfrequenz möglich.

Laser haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Technik und Forschung sowie im täglichen Leben, vom einfachen Lichtzeiger (z. B. Laserpointer bei Präsentationen) über Entfernungsmessgeräte, Schneid- und Schweißwerkzeuge, der Nachrichtenübertragung, bis hin zum Laserskalpell und anderen Laserlicht verwendenden Geräten im medizinischen Alltag.

Laser gibt es für Strahlungen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums: von Mikrowellen (Maser) über Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett bis hin zu Röntgenstrahlung. Die besonderen Eigenschaften der Laserstrahlen entstehen durch ihre Erzeugung in Form einer stimulierten Emission. Der Laser arbeitet wie ein optischer Verstärker in resonanter Rückkopplung. Die dazu erforderliche Energie wird von einem Lasermedium (bspw. Kristall, Gas oder Flüssigkeit) bereitgestellt, in dem aufgrund äußerer Energiezufuhr eine Besetzungsinversion herrscht. Die resonante Rückkopplung entsteht dadurch, dass das Lasermedium sich in einem elektromagnetischen Resonator für die Strahlung bestimmter Richtung und Wellenlänge befindet.

Grundfunktion[Bearbeiten]

Grundlegende Bestandteile[Bearbeiten]

Ein Laser besteht konzeptionell aus drei Bestandteilen:

Aktives Medium (Lasermedium)
Im aktiven Medium entstehen durch den optischen Übergang angeregter Atome oder Moleküle in einen energetisch günstigeren Zustand Photonen. Das Medium kann gasförmig (z. B. CO2), flüssig (z. B. Farbstofflösungen) oder fest (z. B. Rubinkristall, Halbleitermaterial) sein.
Pumpe
Durch Einführen von Energie in das Lasermedium wird eine Besetzungsinversion erzeugt. In einem Medium mit nur zwei Energieniveaus sind im thermodynamischen Gleichgewicht Zustände geringer Energie mit höherer Wahrscheinlichkeit besetzt als Zustände höherer Energie. Die Inversion kann erzeugt werden, wenn das Medium mehr als zwei Niveaus und unterschiedliche Lebensdauern der angeregten Niveaus hat. Durch das Hineinpumpen (engl. pumping) von Energie in das Lasermedium wird dieses aus seinem thermodynamischen Gleichgewicht geholt, und es kann eine Inversion entstehen. Das Pumpen kann optisch (Einstrahlung von Licht) oder elektrisch (z. B. Gasentladung, elektrischer Strom bei Laserdioden) die Atome oder Moleküle des Lasermediums in angeregte Zustände bringen.
Resonator (Modenselektion)
Ein Resonator sorgt dafür, dass alle Photonen, die im Lasermedium entstehen, bis auf die in Impuls und Energie vom Resonator bevorzugten Photonen den Laser verlassen. Die Selektion des Resonators bewirkt, dass nur Photonen mit gleicher Energie und gleichem Impuls in das Lasermedium zurückgekoppelt werden. Über den Effekt der stimulierten Emission werden im besetzungsinvertierten Lasermedium von den zurückgekoppelten Photonen verstärkt Photonen mit ebenfalls gleicher Energie und gleichem Impuls erzeugt. Dies ist der Grund für die starke Kohärenz und Einfarbigkeit von Laserlicht.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Zunächst werden Atome im Lasermedium durch die eingespeiste Leistung von unteren Energieniveaus (z. B. Grundzustand) in energetisch höhere, d.h. angeregte Zustände versetzt. Dabei soll die mittlere Zerfallszeit der angeregten Zustände (in der Regel durch spontane Emission) möglichst lang sein. Somit bleibt die Pumpenergie dort „längere“ Zeit gespeichert, sodass eine Besetzungsinversion aufgebaut werden kann. Nun genügt eine Stimulierung eines Atoms durch ein Photon mit der auszustrahlenden Energie, damit das angeregte Atom wieder in seinen Grundzustand zurückfällt und dabei ein Photon der identischen Energie (also identischer Wellenlänge und Frequenz) sowie identischer Phasenlage wie das stimulierende Photon aussendet. Beide Photonen bewegen sich in die gleiche Richtung. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstärker. Das „frisch entstandene“ zweite Photon kann dann seinerseits andere angeregte Atome zur Ausstrahlung stimulieren, und es kommt zu einer Kettenreaktion.

Zu dieser Verstärkerwirkung kommt dann noch hinzu, dass sich die Anordnung in einem Resonator (s. u. bei Laserresonator) befindet, der durch seine Abmessungen auf die gewünschte Wellenlänge abgestimmt ist. So hat ein Photon bei mehrfachem Durchlaufen des Lasermediums genügend Chancen, andere Atome zu stimulieren. Der Resonator ist im Prinzip aus zwei Spiegeln an den Enden der Anordnung gebildet. Durch diese Spiegel wird auch die Richtung des erzeugten Lichtstrahls endgültig festgelegt. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig ausgeführt, so dass ein Teil des Lichts austreten und seiner Nutzung zugeführt werden kann.

Geschichte[Bearbeiten]

In diesem Abschnitt fehlen folgende wichtige Informationen: mindestens Schawlow, Hänsch und Bennett müssen noch erwähnt werden, wahrscheinlich auch noch mehr.

Du kannst Wikipedia helfen, indem du sie recherchierst und einfügst, aber kopiere bitte keine fremden Texte in diesen Artikel.

Albert Einstein beschrieb bereits 1916 die stimulierte Emission als eine Umkehrung der Absorption. 1928 gelang Rudolf Ladenburg der experimentelle Nachweis. Danach wurde lange gerätselt, ob der Effekt zur Verstärkung des Lichtfeldes benutzt werden könnte, da zum Erreichen der Verstärkung eine Besetzungsinversion eintreten musste. Diese ist aber in einem stabilen Zweiniveausystem unmöglich. Zunächst wurde ein Dreiniveausystem in Betracht gezogen, und die Rechnungen ergaben eine Stabilität für Strahlung im Mikrowellenbereich, 1954 realisiert im Maser von Charles H. Townes, der Mikrowellenstrahlung aussendet. Der erste Laser – ein Rubinlaser – wurde von Theodore Maiman am 16. Mai 1960 fertiggestellt.[1][2]

Geprägt wurde der Begriff Ende der 1950er Jahre[3] durch Gordon Gould in Anlehnung an den Maser; Gould nutzte den Begriff erstmals 1957 in seinen Notizen. Frühe Veröffentlichungen nannten den Laser noch optical maser (optischer Maser).

Die weitere Entwicklung führte dann zunächst zu Gaslasern (Sauerstoff-, Stickstoff-, CO2-Laser, He-Ne-Laser[4]) und danach zu Farbstofflasern (das laseraktive Medium ist flüssig). Eine Weiterentwicklung von Kristalltechnologien ermöglichte eine sehr starke Erweiterung des spektralen Nutzbereiches. Durchstimmbare Laser zum Anfahren einer bestimmten Wellenlänge und breitbandige Laser wie z. B. der Titan-Saphir-Laser läuteten in den 1980er Jahren die Ära der Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von Piko- und Femtosekunden ein.

In den späten 1980er Jahren ermöglichte die Halbleitertechnologie immer langlebigere, hocheffektive Halbleiter-Laserdioden, die mit kleiner Leistung in CD- und DVD-Laufwerken oder in Glasfaser-Datennetzen eingesetzt werden und inzwischen nach und nach als Pumpquellen mit Leistungen bis in den kW-Bereich die wenig effektive Lampenanregung von Festkörperlasern ersetzen.

In den 1990er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechniken und Leistungen bis 20 kW zunehmend Anwendungen bei der Materialbearbeitung, wo sie die bisher gebräuchlichen Typen (CO2-Laser, lampengepumpte Nd:YAG-Laser) teilweise ersetzen können.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden erstmals nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen. Damit ließen sich zeitliche Abläufe im Inneren eines Atoms verfolgen. Zuletzt erreichten blaue und ultraviolette Laserdioden die Marktreife.

Inzwischen ist der Laser zu einem bedeutenden Instrument der Industrie, Medizin, Kommunikation, Wissenschaft und Unterhaltungselektronik geworden.

Physikalische Grundlagen[Bearbeiten]

In einem Medium mit gegebenem Volumen befindet sich eine feste Anzahl  N Atome oder Moleküle mit jeweils mehreren, aber immer den gleichen Energieniveaus. Zwei dieser Niveaus, bezeichnet als unteres Laserniveau  E_1 und oberes Laserniveau  E_2 (wobei E_1 < E_2), bilden den Laserübergang. Der Laserübergang ist derjenige optische Übergang, dessen Energiedifferenz der Frequenz des Laserlichts entspricht. Die Differenz \Delta N = N_1 - N_2 zwischen der Anzahl der Teilchen im unteren N_1 und oberen Laserniveau N_2 wird als „Inversion“ bezeichnet.

Es existieren zwei grundlegende Bedingungen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen, damit ein Laser funktioniert:

  1. \Delta N < 0 (Besetzungsinversion) – es müssen sich mehr Teilchen im oberen als im unteren Laserniveau befinden.
  2. Die Verstärkung des Laserlichts durch stimulierte Emission bei einem Durchlauf durch den Resonator muss größer als seine Verluste durch Absorption, Streuung und Spiegelverluste, insbesondere Auskoppelverluste, sein. Die Resonatorspiegel müssen wenigstens auf einer Seite eine Reflektivität kleiner eins haben, damit Laserlicht den Laser verlassen kann und überhaupt genutzt werden kann. Dieses Auskoppeln eines Teil des Laserlichts wird als Auskoppelverlust bezeichnet, weil dieser Anteil nicht mehr zur weiteren Verstärkung im Lasermedium durch stimulierte Emission beiträgt.

Bei jedem Übergang zwischen zwei Niveaus aufgrund von Emission entsteht ein Photon mit der Kreisfrequenz \omega = \Delta E / \hbar, wobei \Delta E die Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus und \hbar das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum ist. Bei Übergängen aufgrund von Absorption geht entsprechend ein Photon dieser Energie verloren. Die Wahl des Lasermediums gibt somit die Frequenz bzw. die Farbe des Lichtes vor.

Die mathematische Beschreibung der Besetzung erfolgt über spezielle gekoppelte Differentialgleichungen, sogenannte Ratengleichungen. Diese beschreiben den zeitlichen Verlauf der Besetzungszustände, also die zeitliche Änderung von N_1 und N_2. Die genaue Form der Ratengleichungen hängt davon ab, wie viele Energieniveaus neben den zwei Laserniveaus zur Verfügung stehen und genutzt werden sowie von der Art bestimmter Näherungen.

Zweiniveausystem[Bearbeiten]

Ein Zweiniveausystem

Zwei stabile Energieniveaus reichen nicht für die Konstruktion eines Lasers aus, wie im Folgenden gezeigt wird. Die Betrachtung von Zweiniveausystemen liefert jedoch die Grundlage für Betrachtungen von Lasermedien mit mehr als zwei Energieniveaus, bei denen Laserbetrieb möglich ist. Ein theoretisches Zweiniveausystem würde direkt vom unteren in das oberen Laserniveau gepumpt werden. Für ein Zweiniveausystem lauten die Ratengleichungen:

\frac{dN_1}{dt} = -BIN_1 + BIN_2 + AN_2
\frac{dN_2}{dt} = +BIN_1 - BIN_2 - AN_2 = -\frac{dN_1}{dt}

Dabei ist A der Einsteinkoeffizient für die spontane Emission, B der Einsteinkoeffizient für Absorption bzw. stimulierte Emission und I die Intensität des Lichts im Resonator. Die einzelnen Terme stehen jeweils für die Absorption bzw. Emission von Photonen und damit die Änderung der Teilchenzahl in diesem Zustand. Da für den Laserbetrieb die Inversion \Delta N wichtig ist, wird die Differenz dieser zwei Ratengleichungen gebildet, sowie N_1 und N_2 durch \Delta N = N_1 - N_2 und die Erhaltungsgröße N = N_1 + N_2 ausgedrückt:

\frac{d(N_1 - N_2)}{dt} = \frac{d\Delta N}{dt} = - 2BI\Delta N + AN - A\Delta N

Nach einer gewissen Zeit wird sich ein Gleichgewicht in den Besetzungen einstellen, wodurch die zeitliche Änderung der Inversion verschwindend klein wird (Fixpunkt). Um diesen Gleichgewichtspunkt zu finden, setzt man \tfrac{d\Delta N}{dt} = 0. Die sich ergebende Gleichung kann dann nach \Delta N^s umgeformt werden (Der Index s steht für stationär):

\Delta N^s = \frac{N}{1 + 2I/I_S}

wobei I_S = A/B als Sättigungsintensität bezeichnet wird. Diese Gleichung ist immer positiv, unabhängig davon wie groß die Intensität I wird. Das heißt, es sind immer weniger Teilchen im oberen Laserniveau als im unteren. Somit ist eine Besetzungsinversion in einem stabilen Zweiniveausystem nicht möglich. Es ist somit unmöglich, in dieser Weise einen Laser zu konstruieren.

Eine anschauliche Begründung liefern die Einsteinkoeffizienten. Sobald die Hälfte aller Teilchen im Lasermedium im oberen Laserniveau sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom im unteren Laserniveau ein Photon absorbiert, genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom im oberen Laserniveau ein Photon durch stimulierte Emission abgibt. Die zusätzliche spontane Emission sorgt weiterhin dafür, dass nicht einmal diese theoretische Grenze erreicht wird.

Dreiniveausystem[Bearbeiten]

Zusätzlich zu den beiden Niveaus im Zweiniveausystem existiert in einem Dreiniveausystem ein weiteres Energieniveau E_3 oberhalb des oberen Laserniveaus, so dass gilt E_1 < E_2 < E_3. Das Pumpen erfolgt diesmal vom unteren Laserniveau E_1 in das neue Niveau E_3. Für das dritte Niveau wird außerdem die Bedingung aufgestellt, dass es viel schneller in den Zustand E_2 übergeht als E_2 nach E_1, so dass gilt N_3 \approx 0 oder wieder N = N_1 + N_2 + N_3 \approx N_1 + N_2. Dieser schnelle Übergang geschieht entweder strahlungslos oder über spontane Emission. Analog zum Zweiniveausystem werden auch hier wieder Ratengleichungen aufgestellt:

\frac{dN_1}{dt} = -BIN_1 + AN_2
\frac{dN_2}{dt} = +BIN_1 - AN_2 = -\frac{dN_1}{dt}

Im Gegensatz zum Zweiniveausystem fehlt hier die stimulierte Emission durch den Pumpvorgang. Wieder können diese Ratengleichungen durch Differenzbildung, Ausdrücken durch \Delta N und N und anschließender Betrachtung des Gleichgewichtszustandes \tfrac{d\Delta N}{dt} = 0 zu einer Gleichung für die Besetzung umgeformt werden:

\Delta N^s = N\frac{1 - I/I_S}{1 + I/I_S}

Diese Gleichung wird negativ (N_1 < N_2), sobald die Bedingung I > I_S erfüllt wird. Dies bedeutet, dass sich in einem Dreiniveausystem mehr Teilchen im oberen Laserniveau befinden können und somit Besetzungsinversion möglich ist. Voraussetzung ist eine hohe Intensität des Lichts im Resonator. Dreiniveaulaser sind somit möglich.

Vierniveausystem[Bearbeiten]

Bei einem Vierniveausystem kommt gegenüber dem Dreiniveausystem ein weiteres Energieniveau E_0 hinzu. Dieses befindet sich unterhalb des unteren Laserniveaus E_1, so dass gilt E_0 < E_1 < E_2 < E_3. Der Übergang von E_1 nach E_0 hat wieder als Bedingung, dass er sehr schnell geschieht. Damit ändert sich die genäherte Bedingung für die Gesamtteilchenzahl zu N \approx N_0 + N_2 , und die Gleichung für die Besetzung wird zu \Delta N = N_1 - N_2 \approx - N_2. Der Pumpvorgang geschieht hierbei von E_0 nach E_3. Die Ratengleichungen ergeben sich damit zu:

\frac{dN_1}{dt} \approx 0
\frac{dN_2}{dt} = +BIN_0 - AN_2

Auch hier ist es wieder möglich, N_0 und N_2 durch N und \Delta N auszudrücken sowie die Gleichgewichtsbedingung anzusetzen und nach \Delta N aufzulösen:

\Delta N = -N\frac{I/I_S}{1 + I/I_S}

In diesem Fall ist die Besetzung immer negativ. Das bedeutet, dass ein extern angeregtes Vierniveausystem sehr gut als Lasermedium geeignet ist. Praktisch alle modernen Laser werden als Vier- oder Mehrniveausysteme konzipiert.

Laserresonator[Bearbeiten]

Schema eines Laserresonators
Strahlenverlauf im konfokalen Resonator

In einem Laser wird die Strahlung, die anfänglich durch spontane Emission initiiert wurde, durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet geleitet, in dem Besetzungsinversion herrscht. Eine solche Anordnung heißt optischer Resonator oder Laserresonator. Durch das ständige Hin- und Herlaufen kann eine ausreichende Verstärkung zur Überschreitung der Laserschwelle erreicht werden. Die Laserschwelle kann nur überschritten werden, wenn die Verstärkung im Resonator größer ist als der Verlust (z. B. durch spontane Emission, Streuung und ausgekoppelter Leistung). Diese Bedingung stellt neben der Besetzungsinversion die zweite grundlegende Voraussetzung dar, dass ein Laser funktionieren kann.

Ein Laserresonator besteht im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln, zwischen denen die Strahlung reflektiert wird, so dass sich der Weg durch das Lasermedium verlängert. Dadurch kann ein Photon sehr oft stimulierte Emission hervorrufen. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig und wird Auskoppelspiegel oder Auskoppler genannt. Dieser sorgt dafür, dass ein Teil der Strahlung das Gerät als Laserstrahl verlassen kann. Lasermedien mit sehr hoher Verstärkung können unter Umständen auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel arbeiten.

Im Resonator werden nur Frequenzen verstärkt, welche die Resonanzbedingung erfüllen, für die also gilt:

L = n \frac{\lambda}{2} \quad\Leftrightarrow\quad \nu = n \frac{c}{2L}

Dabei ist n eine natürliche Zahl und L die Resonatorlänge. Andere Frequenzen werden durch destruktive Interferenz ausgelöscht. Ein anderer Aufbau ist der Ringresonator, bei dem das Licht durch mehrfache Reflexion einen geschlossenen Pfad durchläuft.

Die Güte des Resonators (d. h. das Verhältnis zwischen hin- und herreflektierter Strahlung zu austretender Strahlung) muss bei gering verstärkenden Medien besonders hoch sein. Ein Beispiel hierfür ist der Helium-Neon-Laser. Die Resonatorgüte kann oft mittels in ihm befindlicher optischer Komponenten zeitabhängig, aber auch hinsichtlich der Wellenlänge und des lateralen Strahlprofiles beeinflusst werden, um eine gute Strahlqualität, Frequenzkonstanz und Kohärenz sowie Pulsformung des Laserstrahls zu erzielen. Solche Komponenten sind z. B. Blenden, optische Schalter (Güteschalter) oder frequenzselektive Endspiegel.

Die Resonatorstabilität kann bei einfachen Resonatoren (Spiegel – aktives Medium – Spiegel) mit den sog. g-Faktoren berechnet werden. Sie sind definiert als:

 g_1 = 1 - \frac{L}{R_1}
 g_2 = 1 - \frac{L}{R_2}

Hierbei sind R1 und R2 die Krümmungsradien der beiden Resonatorspiegel und L die Gesamtlänge des Resonators. Die Stabilitätsbedingung lautet

 0 < g_1g_2 < 1 [5]

Ein paraxialer Strahl verlässt selbst nach beliebig vielen Reflexionen den Resonator nicht. Ist das Ergebnis gerade 0 oder 1, ist der Resonator grenzstabil. Ein Beispiel hierfür ist der konfokale (g_1 = g_2 = 0), hemisphärische (g_1 = 0, g_2 = 1), konzentrische (g_1 = g_2 = -1) oder plan-plan Resonator (g_1 = g_2 = 1), welcher auch als Fabry-Pérot-Resonator bekannt ist. In der Praxis sind diese Art Laser sehr schwierig zu justieren und laufen meistens nur dadurch, dass andere Linseneffekte den Resonator in den Bereich der Stabilität führen. Ein solcher Effekt kann beispielsweise ein thermischer Linseneffekt sein, bei dem durch einen Temperaturgradienten im Resonator eine thermische Linse entsteht. Stabile Resonatoren beeinflussen die Strahlqualität und die Kohärenzeigenschaften des Laserstrahls positiv. Der Nachteil ist die schlechte Ausnutzung des Lasermediums, da der Lichtstrahl immer wieder auf dieselben Teilchen trifft, anstatt neue Teilchen anzuregen.

Bei instabilen Resonatoren gilt g_1 g_2 > 1 oder g_1 g_2 < 0. Für diese sind die Beugungsverluste sehr hoch, jedoch können durch ein Lasermedium mit großem Durchmesser instabile Resonatoren vorteilhaft genutzt werden, da diese eine gleichförmige Intensitätsverteilung im Resonator erzeugen. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine hohe Verstärkung des Lasermediums. Instabile Resonatoren werden daher meistens in Lasern verwendet, die eine hohe Verstärkung pro Resonatorumlauf besitzen und bei denen vorrangig hohe Ausgangsleistung und weniger die Strahlqualität maßgebend sind. Von besonderer Bedeutung ist der asymmetrische konfokale instabile Resonator, da dieser einen parallelen Ausgangsstrahl liefert.

Longitudinale Moden[Bearbeiten]

Mögliche Wellenlängen zwischen den Resonatorspiegeln. Darstellung: Amplitude als Funktion des Abstandes von den Spiegeln
Longitudinale Lasermoden bei gaußförmigem Verstärkungsprofil in einem Resonator. Darstellung: Amplitude als Funktion der Frequenz

Unterschiedliche Schwingungsformen werden Moden genannt. Als longitudinal bezeichnet man die Schwingung längs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Bildlich ausgedrückt handelt es sich dabei um Intensitätsberge und -täler im Abstand einer halben Wellenlänge. Bei einem He-Ne-Laser von einigen Zentimetern Länge könnte man zwischen den Spiegeln etwa 600.000 Intensitätsberge zählen, bei einer kurzen Laserdiode nur einige Tausend.

Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte Wellenlängen und deren Vielfache besonders verstärkt, weil sich nur für bestimmte Wellenlängen eine stehende Welle zwischen den Spiegeln ergibt.

Das Bild zeigt die Intensitätsverteilung rund um die Grundmode (angegeben als mittlere Intensität in Abhängigkeit von der Frequenz ν0).

Genauer gesagt, gilt für die möglichen Lichtfrequenzen in einem Laserresonator der Zusammenhang:


\nu(N) = N \cdot \frac{c}{2L}
,

\nu(N) ist dabei die zulässige Frequenz der N-ten Mode, c die Lichtgeschwindigkeit und L die Resonatorlänge (Abstand zwischen den Resonatorspiegeln). In dieser Formel kann man die Frequenz durch den gebräuchlicheren Begriff Wellenlänge ersetzen und erhält für die möglichen Wellenlängen λ in einem Resonator:

2L = N \cdot \lambda

Ein optischer Resonator wirkt also wie ein Kammfilter, das bestimmte aufeinanderfolgende Frequenzen verstärkt oder abschwächt.

Durch gaußförmige Dopplerverbreiterung der an sich scharfen Emissionslinie entsteht die gaußförmige Einhüllende über eine gewisse Anzahl von „Kammzinken“. Auf Grund obiger Resonatoreigenschaft (und der wieder anschließenden Dopplerverbreiterung) werden mehrere Teillinien der Emissionslinie des aktiven Mediums im Resonator verstärkt. Die einzelnen im Resonator verstärkten Teillinien haben ein Lorentzprofil mit sehr geringen Linienbreiten wegen der großen Länge der Wellenzüge im Resonator, und weil bei der Resonanz Störeffekte wie der Doppler-Effekt in den Hintergrund treten. Somit erhält man das nebenstehende Spektrum mit mehreren Lorentz-Kurven (den sogenannten Lasermoden) mit einer gaußförmigen Einhüllenden. Da jedoch eine Mindestintensität nötig ist, damit im Resonator noch eine Verstärkung stattfinden kann, erhält man nur eine begrenzte Anzahl Moden, da Moden, die zu weit vom Linienschwerpunkt entfernt sind, zu wenig intensiv sind, um noch verstärkt zu werden. Die Strahlung benachbarter Moden ist immer orthogonal zueinander polarisiert.

Der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden ist:

\Delta \nu = \frac{c}{2L}
Nach vier Reflexionen erreicht der Lichtstrahl den Startpunkt

Es kann sich auch ein Zustand einstellen, bei dem der Strahl zweimal durch den Resonator hin- und herlaufen muss, um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen. Dadurch wird die effektive Resonatorlänge verdoppelt, und die Modenabstände werden auf \Delta \nu = \frac{c}{4L} halbiert.

Die Halbwertsbreite \Delta der Maxima ist

\Delta = \frac{\mathrm{FSR}}{\mathcal{F}}

Der dabei auftretende Faktor  \mathcal{F} wird als Finesse bezeichnet und ist die entscheidende Kennzahl für Resonatoren, die das spektrale Auflösungsvermögen angibt. FSR gibt den freien Spektralbereich des Resonators an. Die Finesse hängt bei Vernachlässigung der Verluste im Resonator nur vom Reflexionsfaktor R der Spiegel ab:

 \mathcal{F} = \frac{\pi \sqrt{R}}{1-R}

Je nach verwendeten Spiegeln kann die Finesse Werte von etwa 10 bis zu mehreren 100.000 annehmen.

In vielen Anwendungen sind mehrere longitudinale Moden unerwünscht. Eine Verkürzung der Resonatorlänge, um nur eine Mode zu erzeugen, macht aber meist keinen Sinn, da dadurch nicht die gewünschte Lichtleistung erzielt werden kann. Man behilft sich, indem im Resonator ein sogenanntes Etalon eingebracht wird. Das Etalon stellt im Prinzip einen „Resonator im Resonator“ dar, welcher nur Wellen der gewünschten Mode verstärkt, andere Moden aber unterdrückt. Man spricht in diesem Fall von Monomode- oder Singlemode-Lasern (im Gegensatz zu Multimode-Lasern).

Transversale Moden[Bearbeiten]

Feldstärke und Intensität eines Laserstrahls in der TEM00-Mode
TEM-Profile bei zylindrischen Resonatoren
Verschiedene Intensitätsprofile für einen Resonator mit rechteckigen Spiegeln (TEMxy)

Als transversale Moden bezeichnet man die Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bildet sich also eine Mode aus, die nicht den Raum senkrecht zu den Resonatorspiegeln ausfüllt, sondern etwas schräg verläuft, so wird der Licht- und Resonatorweg länger, und die Frequenz verschiebt sich etwas. Dieses führt einerseits zum Konkurrieren um angeregte Mediumsmoleküle zwischen den verschiedenen Frequenzen (Mode Competition), andererseits können sich so stehende Wellen ausbilden, die Knotenlinien innerhalb des Laserprofils aufweisen. Ob und wie sie in einem Laserstrahl vorkommen, lässt sich durch optische Bauelemente wie Polarisationsfilter oder diffraktive optische Elemente bestimmen.

Die Art der transversalen Moden hängt von der Konstruktion des Lasers ab:

  • Bei Verwendung ebener Reflektoren treten TEM-Moden auf, das heißt, in Ausbreitungsrichtung besitzt die elektromagnetische Welle keine elektrischen oder magnetischen Komponenten. Das trifft auch für die Lichtausbreitung im Freiraum zu.
  • Die Mehrzahl der Laser verwendet gekrümmte Spiegel, dann treten fast immer Hybrid-Moden auf, die auch in Ausbreitungsrichtung elektrische und magnetische Komponenten besitzen.

(In Hohlleitern mit metallischer Hülle beobachtet man auch reine TE- bzw. TM-Moden, weil in der Hüllfläche elektrische Ströme fließen können).

Bei zylindrischem Querschnitt des Lasers hat die Strahlintensität im Idealfall ein Gauß-Profil; diese Mode wird als TEM00-Mode bezeichnet (siehe auch: Moden#Weitere akustische Schwingungsmoden). Es können aber auch andere Profile mit Winkel- und radialen Abhängigkeiten auftreten, die sich durch Laguerre-Polynome berechnen lassen. Ist diese Zylindersymmetrie durch Polarisationsfilter oder Brewster-Fenster gestört, treten rechteckige Symmetrien auf, die durch Hermitesche Polynome berechnet werden. Abhängig von der Anzahl ihrer Knotenlinien in horizontale und vertikale Richtung werden sie als TEMxy-Mode bezeichnet. Für diese Moden ist teilweise der Lichtweg durch den Resonator bis zum Ausgangspunkt anders, das heißt, die Resonatorlänge erscheint verändert. Dies kann zu einer Verfälschung der Longitudinalmodenspektren führen, indem sich die Spektren verschiedener Transversalmoden überlagern.

Eigenschaften von Laserstrahlung[Bearbeiten]

Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser-Resonators bestimmt, insbesondere spielen dabei die Geometrie des aktiven Mediums und die Spiegelanordnung eine wichtige Rolle. Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. zu manipulieren (Brillanz, Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase, Zeit). Eine allgemeine Aussage über die Strahleigenschaften ist daher nicht möglich. Es ist auch nicht richtig, dass ein Laserstrahl immer ein enggebündelter Strahl mit geringer Frequenzbreite sein muss, wofür er allerdings oft gehalten wird. Je nach Zielsetzung ist eine Erzeugung derartiger Strahlen aber durchaus möglich. Eine herausragende, allgemeine Eigenschaft stellt jedoch die Möglichkeit zur starken Bündelung dar, mit der sehr hohe Leistungsdichten erzielt werden können. Die laterale Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlen ist bei guter Strahlqualität ein Gaußprofil (Gauß-Strahl).

Generell kann man zu den Strahleigenschaften sagen, dass Laserstrahlen sich gegenüber gewöhnlichen Lichtquellen durch viele Unterschiede auszeichnen, die im Folgenden genannt werden.

Kohärenz[Bearbeiten]

Hauptartikel: Kohärenz

Bei einer normalen Glühlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet, sondern auch in unbestimmter Phasenlage zueinander. Bei einem Laser dagegen sind die Wellen jeweils fast phasensynchron zueinander. Die Wellen sind über mehr oder weniger lange Strecken (Kohärenzlänge) fast phasengleich, was man sich zum Beispiel in der Holografie zunutze macht.

Polarisation[Bearbeiten]

Hauptartikel: Polarisation

Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (schräge Umlenkspiegel und Brewster-Fenster, geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meistens linear. Oft ist das erwünscht, um polarisationsabhängige Kopplung und Strahlteilung durchführen zu können. Beim Schneiden von Metallen tritt jedoch insbesondere bei der linear polarisierten CO2-Laserstrahlung im Schnittspalt eine polarisationsabhängige Absorption auf, was eine schlechte und richtungsabhängige Schnittkantenqualität zur Folge hat. Daher wird beim Metallschneiden mit zirkularer Polarisation gearbeitet, die durch phasendrehende Verzögerungsplatten im Strahlengang des Laserstrahls erzielt wird.

Frequenz, Wellenlänge[Bearbeiten]

Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das aktive Medium und dessen zum Lasern geeignete Energieübergänge bestimmt. Es gibt Stoffe, die auf vielen Wellenlängen zum Lasern angeregt werden können – jedoch meistens bei einer Wellenlänge besonders gut. Laser können sehr schmalbandige Strahlquellen sein, die Verstärkungsbandbreite (beim Kohlenstoffdioxidlaser zum Beispiel 9 bis 11 µm) ist jedoch meist höher als die Bandbreite der abgegebenen Strahlung – entweder schwingt der Laser von selbst im Maximum der Verstärkungsbandbreite (beim Kohlendioxidlaser zum Beispiel 10,6 µm) an oder man sorgt durch frequenzbestimmende Elemente für eine schmalbandige Emission auf einer einzigen Frequenz. Extreme Schmalbandigkeit ist z. B. bei der interferometrischen Längenmessung mittels Lasern von Bedeutung. Bei extremer Breitbandigkeit spricht man von Superkontinuum-Lasern, welche z. B. in der optischen Kohärenztomographie und zur Erzeugung von Frequenzkämmen eingesetzt werden. Die minimal erreichbare Bandbreite wird durch das Schawlow-Townes-Limit beschrieben.

Lasertypen nach der Signalform[Bearbeiten]

Dauerstrich[Bearbeiten]

Ein Dauerstrichlaser (auch cw-Laser von engl. continuous wave) ist ein Laser, der im Gegensatz zu Pulslasern eine Lichtwelle konstanter Intensität abstrahlt. Laserstrahlung von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave laser, cw-laser) ist im Idealfall schmalbandig (monochrom, einfarbig), das heißt, sie besteht nur aus Strahlung einer Wellenlänge. Insbesondere ist Dauerstrich-Laserstrahlung aus stabilen Laserresonatoren aufgrund des Vielfachumlaufes zeitlich beziehungsweise longitudinal (entlang seiner Ausbreitungsrichtung) kohärent, was bedeutet, dass die ausgesandten Wellenzüge nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch in der Phase über eine lange Strecke (die Kohärenzlänge) konstant sind. Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgeprägte Interferenzerscheinungen. Während des Einschwingvorgangs des Dauerstrich-Lasers tritt zunächst oft Spiking, das heißt eine unregelmäßige Abgabe von Laserpulsen, auf. Dieses Verhalten nutzt ein modengekoppelter Laser gezielt aus, indem er die Spikes z. B. triggert oder synchronisiert.

Pulse[Bearbeiten]

Hauptartikel: Pulslaser

Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein gepulster Laser pulsierende Strahlung. Pulse können durch gepulste Anregung oder auch durch Maßnahmen im Laser selbst (Güteschaltung) erzeugt werden. Bei sehr kurzen Pulsen benötigt das aktive Medium prinzipiell eine größere Verstärkungsbandbreite, innerhalb derer die beteiligten Frequenzen gekoppelt sind (Modenkopplung) und sich zu einem Impuls zusammensetzen. Je kürzer die Pulsdauer, desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fourier-Analyse das erzeugte Spektrum und umso breiter muss das Frequenzband sein, innerhalb dessen das aktive Medium verstärken kann. Die geringsten erzielbaren Pulsdauern liegen in der Größenordnung von Femto- und Attosekunden (→ Femtosekundenlaser). Bei derart kurzen Pulsen (Länge des Strahlungspaketes < 30 µm, also ein Bruchteil einer Haarbreite) muss das verstärkende (aktive) Lasermedium eine große Verstärkungsbandbreite besitzen.

Laser können sich auch selbst zur Abgabe einer Pulsfolge synchronisieren, wenn im Resonator zum Beispiel ein nichtlinearer (sättigbarer) Absorber vorhanden ist. Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse in einem solchen Laser erzeugt werden, hängt u. a. bei der instantanen Kerr-Linsen-Modenkopplung (engl. Kerr lens mode locking, ein Verfahren zur Erzeugung einer stabilen Pulsfolge von Pulsen geringer Dauer) von der Resonatorlänge ab: Bei einem Resonator mit einer Länge von einem halben Meter beträgt diese etwa 300 MHz – die Periodendauer entspricht einem Hin- und Herlaufen (Umlauf) des Pulses im Resonator. Die Spitzenleistung wird bei jedem Umlauf größer, die Pulsdauer bleibt von allein sehr gering. Aus solchen Pulslasern werden zum Beispiel einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstärkt. Mit weiteren Maßnahmen gelingt es, Spitzenleistungen bis in den Petawatt-Bereich zu erzeugen, die nur im Vakuum ungestört übertragen und fokussiert werden können. Luft wird von der hohen elektrischen Feldstärke des Lichts ionisiert.

Die Gütemodulation (Q-switching) des Resonators mit akustooptischen Güteschaltern oder Pockelszellen sind weitere Techniken zur Erzeugung energiereicher Laserpulse mit geringer Dauer: Dabei wird die stimulierte Emission zunächst unterbunden, um sie dann bei inzwischen durch das Pumpen gestiegener Besetzungsinversion (hohe, im aktiven Medium gespeicherte Energie) schlagartig zu ermöglichen.

Einteilung anhand des Lasermediums[Bearbeiten]

Hauptartikel: Liste der Lasertypen
Grobe Einteilung von Lasertypen
Übersicht über Wellenlängen von im Handel erhältlichen Lasern. Lasertypen mit diskreten Laserlinien sind oberhalb der Leiste der Wellenlängen eingetragen. Die Farbe gibt die Art des Lasermaterials an.

Laser werden oftmals anhand der Eigenschaften des eingesetzten optischen Lasermediums kategorisiert und benannt. Die gröbste Einteilung erfolgt dabei anhand des Aggregatzustandes.

Wichtige Gaslaser sind beispielsweise der bei 632,8 nm emittierende Helium-Neon-Laser und der bei 10,6 μm emittierende Kohlendioxidlaser. Spezielle Klassen der Gaslaser sind Excimerlaser, bei denen das Lasermedium ein Excimer-Molekül ist, und Metalldampflaser, bei denen das gasförmige Lasermedium zuerst durch Verdampfen von Metall gewonnen werden muss.

Laser mit flüssigem Lasermedium werden als Farbstofflaser bezeichnet. Diese Laser kennzeichnen sich durch eine sehr große, kontinuierliche und abstimmbare Bandbreite an Wellenlängen. Bei den eingesetzten Farbstoffen handelt es sich in vielen Fällen um Stilbene, Cumarine und Rhodamine.

Die Gruppe der Festkörperlaser beinhaltet Laser, deren Lasermedium Kristalle sind. Dabei kann es sich unter anderem um dotiertes Glas, Yttrium-Aluminium-Granat und andere Wirtskristalle oder Halbleiter handeln. Wichtige Beispiele sind der Nd:YAG-Laser, die Laserdiode und der Titan:Saphir-Laser. Häufig verwendete Dotanden sind Titan, Chrom und Neodym. Für die Form der Festkörper existieren viele Möglichkeiten, wie z. B. der Stablaser, Slablaser, Faserlaser und der Scheibenlaser. Eine besondere Form der Festkörperlaser sind die Farbzentrenlaser, die ähnlich funktionieren, aber Farbzentren zur Erzeugung der Laserübergänge nutzen.

Eine besondere Form ist der Freie-Elektronen-Laser (FEL). Er ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die gerichtete Strahlung im Mikrowellenbereich bis in den Röntgenbereich emittiert. Ein FEL ist allerdings kein Laser im eigentlichen Sinne, da die Strahlung nicht durch stimulierte Emission in einem Lasermedium erzeugt wird.

Anwendungen[Bearbeiten]

Eine Laserharfe
Laserbeschriftetes Schaltkreis-Gehäuse aus Keramik; Zeichenhöhe ca. 1,34 mm

Laser werden in sehr vielen Lebens- und Arbeitsbereichen, Forschungs- und Industriezweigen und medizinischen Aufgabenfeldern verwendet. Folgende Abschnitte geben einen groben Überblick über die wichtigsten Einsatzgebiete der Lasertechnik.

Alltag und Unterhaltung[Bearbeiten]

Laser haben Einzug in vielen Bereichen des täglichen Lebens gefunden. In jedem Laserdrucker und allen optischen Laufwerken, wie beispielsweise CD-, DVD- und Blu-ray-Disc-Spieler befinden sich Laserdioden. Ebenso in Laserpointern, die als „optischer Zeigestock“ eingesetzt werden. In Diskotheken und Lasershows werden Laser als Effektquelle eingesetzt. Eine besondere Form ist dabei die Laserharfe, bei der mehrere Laserstrahlen zum Erzeugen von Musik benutzt werden. In Planetarien werden Laser als Projektoren eingesetzt. Eine Variante ist der „All Dome Laser Image Projector“, wie er zum Beispiel im Planetarium Jena verwandt wird. In Barcodelesegeräten werden Laser zum Abtasten von Strichcodes verwendet.

Weitere wichtige Einsatzorte von Lasern sind die Datenübertragung mit Lichtwellenleitern und der optische Richtfunk, die Holografie und das Laserscanning.

Industrie und Materialbearbeitung[Bearbeiten]

In der Industrie und der Fertigungstechnik werden Laser für verschiedene Fertigungsverfahren (DIN 8580) eingesetzt. Sie werden hierzu an einer Laserbearbeitungsmaschine oder einem Laserscanner betrieben. Laser eignen sich zum Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern verschiedenster Materialien, wie Holz, Kunststoff, Papier und Metalle.

Zu den wichtigsten Verfahren gehören das Lasersintern, die Stereolithografie, das Laserstrahlbiegen und laserunterstütztes Biegen, das Laserschneiden und -bohren, die Laserablation, das Lasertrimmen, Laserstrahlschweißen, -auftragschweißen und -löten, die Laserbeschriftung, das Laserspritzen und Laserstrahlverdampfen, das Laserpolieren.

Weiterhin können mit Lasern Strukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich auf fotosensitive Materialien geschrieben werden. Mittels mikrofotolithografischer Systeme werden im Direktschreibverfahren hochaufgelöste Vorlagen (Masken) für verschiedene Anwendungen erzeugt, die z. B. mittels breitbandiger Hochleistungslaser in der Produktion auf die endgültigen Materialien umkopiert werden. Andere Anwendungen schließen das Direktschreiben von Strukturen auf Silizium-Wafern in niedrigen Stückzahlen oder das Schreiben von Strukturen auf fotoempfindlichen Filmen (z. B. Dehnungssensoren) ein. Auf diese Weise lassen sich Bildschirmmasken, Leiterplatten, integrierte Schaltkreise und Sensoren herstellen.

Medizin[Bearbeiten]

In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsächlich in der Diagnose eingesetzt, z. B. bei der Messung von Blutstrom (Flowmetrie) und -zirkulation. Es existieren auch Low-Level-Lasertherapiegeräte zur Wund- und Schmerzbehandlung.

In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose eingesetzt, z. B. in der optischen Kohärenztomografie (OCT). In der Therapie kann mit höherer Leistung eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund verschweißt werden. Außerdem kann Fehlsichtigkeit durch Abtragung von Hornhautoberfläche korrigiert werden (z. B. LASIK-Operation, Femto Lasik).

In der Chirurgie, Gefäßchirurgie und Phlebologie wird der Laser hauptsächlich im Bereich Endoskopie oder als Laserskalpell eingesetzt. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung von defekten Venen (Krampfadern). Hierbei kann der Laser endovenös (Laser-Lichtleiter wird in die Vene eingebracht) angewendet werden. Dieses Laser-Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch „Stripping“. Die Laser-Behandlung ist in vielen Fällen schonender und ambulant durchführbar.

In der Dermatologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen. Blutgefäße können durch Laser bestimmter Wellenlängen koaguliert werden. Pigmentflecken können mit Hilfe ablatierender (= schälender) Laser abgetragen oder selektiv zerstört werden. Subkutanes (= unter der Haut gelegenes) Pigment kann mit Hilfe eines ultrakurz gepulsten Lasers zerstört und damit entfernt werden, ohne die Hautoberfläche stark zu verletzen. Durch Verwendung von langgepulsten Lasern können Haarwurzeln durch Epilation dauerhaft zerstört werden. Laser werden auch zur gezielten Behandlung entzündlicher Hauterkrankungen, vorrangig der Psoriasis (Schuppenflechte) eingesetzt. Oberflächliche Unebenheiten der Haut (Knötchen, Fältchen) werden mit zur kosmetischen Verbesserung des Hautbildes geglättet (Resurfacing). Durch Laserlicht können auch selektiv dermale Anteile erwärmt werden, was in erster Linie dem Kollagenaufbau zur Straffung der Haut dienen soll („Subsurfacing“).

In der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde werden Laser zur Abtragung von Veränderungen an den Stimmbändern bei der Mikrolaryngoskopie verwendet, außerdem zur Teilabtragung der Mandeln (Tonsillotomie) und von Tumoren in Mund und Rachen (z. B. beim Zungenkarzinom). Bei der Operation wegen Otosklerose werden Laser zur Perforation der Steigbügel-Fußplatte verwendet.

In der Zahnmedizin können Laser für den Abtrag von Zahnhartsubstanz („Bohren ohne Bohrer“) oder in der Parodontologie (Keimreduktion und Konkremententfernung in entzündeten Zahnfleischtaschen) verwendet werden. Diodenlaser werden in der Zahnmedizin für chirurgische Eingriffe, z. B. Lippenbändchenentfernung, für die Keimreduktion in der Endodontie (Wurzelkanalbehandlung) oder für die Zahnweißung (Bleaching) verwendet. Der Vorteil der Laserbehandlung gegenüber der konventionellen Methode ist die, dass der Patient weniger Schmerzen hat, die Setzung von Nähten teilweise überflüssig wird, es weniger blutet, da die Wunde verödet ist und die behandelte Stelle gleichzeitig dekontaminiert (keimfrei) wird.

In der Krebstherapie wird er für die photodynamische Therapie eingesetzt, In der Urologie zur Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen und der Prostata. Die Lasermikrodissektion ist ein Verfahren zur Gewinnung von kleinsten Proben aus Gewebsschnitten oder Zellkulturen.

Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen u. a. die Versuche, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen.

Die Sicherheitsbestimmungen für medizinisch genutzte Laser werden in der EN 60601-2-22 behandelt.

Mess- und Steuerungstechnik[Bearbeiten]

Eine Reihe von präzisen Messgeräten für Entfernungen und andere Größen funktionieren mit Lasern. Sie werden beispielsweise beim Tunnelbau und im Bauwesen verwendet.

Weitere Messgeräte, die auf Lasern beruhen, sind Kohärenzradar, optische Abstandsmessungen per Light detection and ranging (Lidar) und Laserpistolen, lasergestützte Brandmelder, elektronische Specklemuster-Interferometrie (ESPI) zur Formerfassung, Lasermikrofone, Laserextensometer, Laser-Doppler-Anemometrie und Particle Image Velocimetry zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, Laser-Doppler-Vibrometer zur berührungsfreien Schwingungsmessung, Laser surface velocimeter, Laser-Wolkenhöhenmesser in der Meteorologie und Laserkreisel.

Energietechnik[Bearbeiten]

Laser können zur Uran-Anreicherung zwecks Gewinnung von Kernbrennstoff verwendet werden.

Militär[Bearbeiten]

Beim Militär und in der Rüstungsindustrie werden Laser wie im Alltag zur Kommunikation und zu Messzwecken eingesetzt, aber zusätzlich auch als Waffen oder waffenunterstützende Technik verwendet. Dazu zählen Zielhilfen für präzisionsgelenkte Munition und lasergelenkte Bomben sowie zur Erzeugung von Zielmarkierung an Handfeuerwaffen (beispielsweise an der AM180), „Lasergewehre“ zum vorübergehenden Blenden,[6] Hochenergielaser zur Raketenabwehr (Laserkanonen) (siehe auch Energiewaffe und Weltraumwaffe).

Hochleistungs-Laseranlagen im Wellenlängenbereich um 1 Mikrometer dienen als „Treiber“ in Anlagen zur Trägheitsfusion wie beispielsweise der National Ignition Facility.

Wissenschaft und Forschung[Bearbeiten]

In der modernen Forschung der Physik, Chemie und Biologie und ihrer jeweiligen Teilgebiete sind Laser eines der wichtigsten Hilfsmittel. In der Laserspektroskopie werden Laser zur Laserkühlung und Bestimmung von Energieniveaus in Atomen und Molekülen, zur Dichtemessung in Gasen und Plasmen oder zur Bestimmung von Materialeigenschaften eingesetzt. Spezielle laserspektroskopische Verfahren sind beispielsweise die Atomspektroskopie, die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy die Raman-Spektroskopie und die nichtlineare Raman-Spektroskopie. Effekte, wie sie die nichtlineare Optik vorhersagt, können nur mit Lasern erzielt werden. Isotopentrennungen, wie AVLIS und MLIS, sind ebenfalls nur mit Lasern möglich.

In der Geodäsie dienen Laser zur Vermessung der Erde und der Plattentektonik, beispielsweise mittels Tachymeter, Lasertracker, Kanallaser, Satellite Laser Ranging und LaserDisto.

Die optische Pinzette und das Zwei-Photonen-Mikroskop sind Anwendungen der Zellforschung.

In der Astronomie werden Laser zur genauen Justierung optischer Bauteile und Instrumente sowie zur Beobachtung von Raumobjekten eingesetzt. Dazu zählen Laserteleskope, Laser-Theodoliten und -Zielfernrohre sowie die Vermessung der Mondbewegung mittels Lunar Laser Ranging.

Homogenisierung[Bearbeiten]

In manchen Anwendungen ist ein räumlich homogenes Profil nötig. Der Laserstrahl kann dann homogenisiert werden.[7] zum Zwecke der Schaffung einer möglichst ebenmäßigen Intensitätsverteilung des Laserlichts über den gesamten Strahlquerschnitt. Das anfängliche Gauß-Profil der Intensitätsverteilung wird dabei über verschiedenste Optiken im Idealfall in ein fast-Rechteckprofil mit sehr geringer Inhomogenität überführt. Anwendung findet diese Technik in verschiedensten Bereichen der Produktion, Messtechnik und Forschung.

Gefahren[Bearbeiten]

Gesundheitsgefahren[Bearbeiten]

Warnung vor Laserstrahl

Laser können aufgrund der Eigenschaften ihrer Strahlung und aufgrund ihrer z.T. extrem konzentrierten elektromagnetischen Leistung biologische Schäden verursachen. Daher sind Laser je nach Laser-Klasse mit genormten Warnhinweisen zu versehen. Dabei werden Bereiche der Wellenlängen und Einwirkzeiten unterschieden, die zu charakteristischen Verletzungen und Verletzungs-Schwellwerten der Leistungs- oder Energiedichte führen.

Anwender und Anlagenbauer müssen direkte, indirekte (unbeabsichtigt gerichtet reflektierte) und Streustrahlung (unbeabsichtigt diffus reflektierte) hinsichtlich dieser Grenzwerte berücksichtigen.

Mögliche Schäden:

  • Bei der medizinischen Anwendung von Lasern kann es zur Entzündung vorhandener oder gebildeter Gase kommen.
  • Laser im Ultraviolettbereich verursachen neben den genannten Schäden auch fotochemische Veränderungen des Gewebes. Dazu gehören Erscheinungen ähnlich einem Sonnenbrand mit dem Risiko einer Krebsentstehung sowie Trübungen der Hornhaut, der Augenlinse und des Glaskörpers.
  • Bei der Lasermaterialbearbeitung entstehen durch Pyrolyse und Verdampfung teilweise hochgiftige Gase, Stäube und Aerosole, die abgesaugt und gefiltert werden müssen.
  • Laserstrahlen im Nahinfrarot-Bereich (um 1000 nm) oder deren Streustrahlung dringen tief unter die Haut vor und können im Unterhautgewebe schmerzlose, schlecht heilende Verbrennungen verursachen.
  • Verbrennungen im Auge: Bereits bei relativ geringen Leistungen (wenige Milliwatt) einer Wellenlänge, für die das Auge transparent ist (etwa 350 bis 1200 nm) treten im ungeschützten Auge partielle Erblindungen durch Netzhautschäden auf, da der parallele Laserstrahl durch die Augenlinse auf der Netzhaut fokussiert wird. Auch Streustrahlung stärkerer Laser dieses Wellenlängenbereiches ist gefährlich. Schäden werden oft nicht bemerkt, sondern erst vom Augenarzt entdeckt.
  • Verbrennung von Auge und Haut: Treffen Laserstrahlen oder deren Streustrahlung einer Wellenlänge, für die Haut und Hornhaut nicht transparent sind (ab etwa >1400 nm), auf, kommt es bei entsprechender Leistungsdichte zu oberflächlichen Verbrennungen oder Verkohlungen.

Die Gefährdung durch Laserstrahlung an Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung wird oft nach der Maschinenrichtlinie beurteilt und ergibt auf dem Risikograph meistens die bisherige Kategorie 4 beziehungsweise die Sicherheitsanforderungsstufe 3 (auch Sicherheits-Integritätslevel 3, kurz SIL-3).

Sachschäden[Bearbeiten]

Laserstrahlen können bei ausreichender Leistung oder Fokussierung Brände und Explosionen auslösen. Hochbrillante Laser zur Materialbearbeitung können bei Versagen der Steuerung (zum Beispiel eines Roboters) auch an weit außerhalb ihrer Fokusebene liegenden Bauteilen oder Wandungen Schäden verursachen.

Prävention[Bearbeiten]

Jede kommerzielle Einrichtung, die einen Laser ab der Klasse 3R benutzt, muss von einem unterwiesenem Laserschutzbeauftragten auf Gefahren und richtige Verwendung des Lasers überprüft werden.

Laser-Klassen[Bearbeiten]

Lasergeräte werden entsprechend der schädlichen biologischen Wirkung von Laserstrahlung in Klassen eingeteilt. Maßgeblich für die nationalen und internationalen Laserklassen ist dabei die Definition von Grenzwerten, bei denen keine Schädigung zu erwarten ist. Neben der amerikanischen ANSI-Norm gibt die International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection Grenzwerte im Spektralbereich zwischen 400 und 1400 nm heraus.[8]

Maßgeblich ist bei nichtionisierender Strahlung die thermische Leistung pro Fläche sowie die spezifischen wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften des Gewebes (Haut sowie Retina, Hornhaut, Glaskörper und Linse des Auges). Durch die Fokussierung der Augenlinse ist die Gefährlichkeit im sichtbaren und besonders im angrenzenden infraroten Bereich erhöht.

Oberhalb von 1,4 µm Wellenlänge wird die Strahlung großflächig in der Hornhaut absorbiert. Sie bietet einen Schutz für die Retina des Auges. Jedoch reduziert sich die Absorptionstiefe auf weniger als 0,1 mm bei 3 µm Wellenlänge, weshalb es zu Schäden in der Hornhaut kommen kann. Aus diesem Grund heißt der Wellenlängenbereich von 1,5 bis 2 µm augensicher (engl. eye safe).

Unterhalb 1,4 µm sind Hornhaut, Haut und darunter liegendes Gewebe im Bereich 1200 nm (Nahinfrarot) bis rot (700 nm) teiltransparent, sodass hier tiefreichende Schädigungen auftreten können, deren Entstehung aufgrund dort nicht vorhandenen Wärmeempfindens oft nicht bemerkt werden. Auch Netzhautschäden durch Laser-Strahlung im Nahinfrarot werden oft nicht bemerkt und erst durch für entsprechende Arbeitsplätze vorgesehene ärztliche Augenuntersuchungen entdeckt.

Bei Wellenlängen unterhalb von etwa 400 nm werden organische Molekülbindungen zerstört, die Absorptionstiefe in Gewebe verlagert sich mit kürzerer Wellenlänge an die Oberfläche von Haut und Auge. Es treten auch bei geringen thermischen Leistungsdichten Linsen- und Hornhauttrübungen sowie Schädigungen der Haut vergleichbar einem Sonnenbrand auf. Dementsprechend sind die Grenzwerte der Leistungsdichte bei diesen kurzen Wellenlängen geringer als beispielsweise im mittleren Infrarot.

Die Klasseneinteilung von Lasergeräten und -anlagen erfolgt anhand maximal auftretender Leistungs- bzw. Energiedichten, je nachdem, ob es sich um kontinuierliche oder Pulslaser handelt. Dabei ist auch die Expositionsdauer und die Wellenlänge maßgebend.

Klassifizierung nach EN 60825-1[Bearbeiten]

Maximale cw-Leistungen für Laser der Klassen 1, 2, 3R und 3B gemäß EN 60825-1:2007.
Die angegebenen Leistungen gelten nur für punktförmige Quellen und stark kollimierte Laserstrahlung. Bei ausgedehnten Quellen und divergenter Strahlung können höhere Leistungen auftreten.
Ein vorschriftsgemäß nach EN 60825-1 klassifizierter Laser.

Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDE 0837 (→ unten) darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden.)

Klasse Beschreibung
1 Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich oder der Laser ist in einem geschlossenen Gehäuse
1M Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
2 Die zugängliche Laserstrahlung liegt nur im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s) auch für das Auge ungefährlich.
2M Wie Klasse 2, solange keine optischen Instrumente wie Lupen oder Ferngläser, verwendet werden.
3R Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge.
3B Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut. Diffuses Streulicht ist in der Regel ungefährlich. (Laser von CD-/DVD-Brennern; Laserstrahlung allerdings nicht direkt zugänglich)
4 Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Beim Einsatz dieser Laserstrahlung besteht Brand- oder Explosionsgefahr. (Materialbearbeitung, Forschungslaser)

Anmerkung zu Laserklasse 2 und 2M: Eine wissenschaftliche Untersuchung[9] ergab, dass der Lidschlussreflex (dieser tritt im Übrigen innerhalb 0,25 s auf; eine längere Bestrahlung schädigt das Auge) nur bei < 20 % der Testpersonen gegeben war. Von dem Vorhandensein des Lidschlussreflexes zum Schutz der Augen kann der Studie zufolge nicht als Regelfall ausgegangen werden.

Anmerkung zur Leistung: Bei ausgedehnten Quellen oder divergenter Strahlung können weit höhere Leistungen auftreten als bei kollimierten Laser der gleichen Klasse. So wird z. B. auf Seite 67 von EN 60825-1:2007 das Beispiel B.3.2 angegeben, bei dem eine stark divergente 12-mW-Laserdiode (Wellenlänge 900 nm) nach Klasse 1M klassifiziert wird.

Klassifizierung nach DIN VDE 0837[Bearbeiten]

Bis März 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDE 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebräuchlich.

Klasse Beschreibung
1 entspricht der Klasse 1 nach EN 60825-1
2 entspricht der Klasse 2 nach EN 60825-1

Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 1M eingestuft.

3a Die zugängliche Laserstrahlung wird für das Auge gefährlich, wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird. Ist dieses nicht der Fall, ist die ausgesandte Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm) bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s), in den anderen Spektralbereichen auch bei Langzeitbestrahlung, ungefährlich. Je nach Wellenlänge werden diese Laser heute meistens in Klasse 2M oder 3R eingestuft.
3b entspricht der Klasse 3B nach EN 60825-1
4 entspricht der Klasse 4 nach EN 60825-1

Literatur[Bearbeiten]

  • Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist: Laser. 7. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 3-8351-0145-5.
  • J. Eichler, H. J. Eichler: Laser. Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. 7. Auflage. Springer Verlag, 2010, ISBN 3-642-10461-4.
  • Anthony E. Siegman: Lasers. University Science Books, Mill Valley/CA 1986, ISBN 0-935702-11-3.
  • William T. Silfvast: Laser Fundamentals. 2. Auflage. Cambridge University Press, Cambridge 2004, ISBN 0-521-83345-0.
  • Axel Donges: Physikalische Grundlagen der Lasertechnik. Shaker, Aachen 2007, ISBN 978-3-8322-6392-8.
  • Charles H. Townes: How the Laser Happened. Oxford University Press, New York Oxford 1999, ISBN 0-19-512268-2

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Laser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Laser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. F. K. Kneubühl, M. W. Sigrist: Laser. 3. Auflage. Teubner, 1991, S. 4.
  2. T. H. Maiman: Stimulated Optical Radiation in Ruby. In: Nature. 187 4736, 1960, S. 493–494.
  3.  R. G Gould: The LASER, light amplification by stimulated emission of radiation. In: The Ann Arbor Conference on Optical Pumping. 1959.
  4. A. Javan, W. R. Bennet, D. R. Herriot: Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture. In: Phys. Rev. Lett. 6, 106–110, 1961
  5. J. Eichler, H.J. Eichler: Laser - Bauformen, Strahlführungen, Anwendungen. 7. Auflage. Springer Verlag, 2010, S. 275, Gleichung (13.31)
  6. alfalight.com: Non-Lethal Ocular Disruptor - grüner Blendlaser
  7. Homogenisierung von Laserstrahlen (PDF; 567 kB)
  8. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatRevision of Guidelines on Limits of Exposure to Laser Radiation of Wavelengths between 400 nm and 1.4 mm. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, 30. März 2000, abgerufen am 28. Dezember 2009 (PDF; 1,7 MB, englisch).
  9.  Reidenbach, H.-D.; Dollinger, K.; Hofmann, J.: Überprüfung der Laserklassifizierung unter Berücksichtigung des Lidschlussreflexes. In: Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin. Fb 985, Wirtschaftsverlag NW, Bremerhaven 2003, ISBN 978-3897019683.
    Zusammenfassung in Abwendungsreaktionen des Menschen gegenüber sichtbarer Laserstrahlung (PDF; 120 kB).