Laser
Laser [] ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung). Der Begriff wurde 1957 von Gordon Gould geprägt. Die Bezeichnung des quantenmechanischen Verstärkungsprinzips wurde auf darauf basierende Geräte übertragen, dennoch wird nicht jede Lichtquelle, die dieses Verfahren benutzt als Laser bezeichnet. Das Laserprinzip ist eine kohärente Verstärkung, bei der die Lichtenergie erhöht wird bei gleichzeitigem Beibehalten der Frequenz, der Richtung, Polarisation und Phase des Ursprungsstrahls (bzw. des Ursprungphotons). Diese herausragende Eigenschaft bildet die Basis für die Photonik und den Einsatz des Lichts als Werkzeug.
Laser-Geräte können selbst unterschiedliche Eigenschaften des Lichtes in hoher Reinheit erzeugen, dazu zählen auch vollkommen gegensätzliche. Große räumliche, bzw. transversale Kohärenz wird in Resonatoren erzeugt, wodurch sich Laserlicht besonders gut zu einem gebündelten Laserstrahl fokussieren oder auch zu einem parallelen Strahl kollimieren lässt. Aufgrund schmalbandiger stimulierter Emission und Selektion einzelner Resonatormoden lassen sich extrem schmalbandige Spektren hoher Intensität aussenden, was einem fast monochromatischem (einfarbigem) Licht und auch einer sehr großen zeitlichen Kohärenz und entspricht. Die Verkopplung von Lasermoden durch externe Steuerung oder nichtlineare Effekte wiederum ermöglicht extrem kurze Lichtimpulse im Femtosekundenbereich und damit sehr kurzer Kohärenzlängen, bzw. einem extrem breitbandigem Spektrum gleichbleibender Güte aber konstanter spektraler Phase. Über nichtlineare Effekte kann sogar die absolute Phase des elektromagnetischen Feldes gemessen und stabilisiert werden.
Geschichte
Albert Einstein beschrieb in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts die stimulierte Emission als Umkehrung der Absorption. Danach wurde lange gerätselt ob der Effekt zur Verstärkung des Lichtfeldes benutzt werden konnte, da zum Erreichen der Verstärkung eine Besetzungszahlinversion eintreten musste. Diese ist aber in einem stabilen Zweiniveausystem unmöglich. Zunächst wurde ein Dreiniveausystem in Betracht gezogen und Rechnungen ergaben eine Stabilität für Strahlung im Mikrowellenbereich. Daraus folgte der Maser, der Mikrowellenstrahlung aussendet. Der erste Laser wurde 1960 von Theodore Maiman gebaut und am 26. Mai fertig gestellt .
Die weitere Entwicklung gehörten zunächst den Gaslasern und danach den Farbstofflasern. 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-Saphirlaser läuteten in den 80er Jahren die Ära der Ultrakurzpulslaser mit Pulslängen von Pico- und Femtosekunden ein. In den späten 80ern ermöglichte die Halbleitertechnologie immer langlebigere, hocheffektive Halbleiterlaserdioden, die sukzessive teure und effektive Blitzlichtlampentechnologien ersetzten oder sogar direkt in Konsumelektronik oder in Glasfaserleitungen eingebaut wurden. In den 90er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende zunehmend Anwendungen aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechnologien, um Hochleistunggaslaser in einer kompakteren, effektiveren Form zu ersetzen. Zu Beginn des dritten Jahrtausends werden nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen (damit lassen sich zeitliche Abläufe im Inneren eines Atoms verfolgen). Andererseits erreichten erste blaue Laserdioden die Marktreife. Inzwischen ist der Laser zu einem unsichtbaren, aber unersetzbaren Instrument der Gesellschaft geworden.
Wirkungsprinzip
Durch Energiezufuhr kann ein Elektron eines Atoms, Moleküls oder Kristalls in einen angeregten Zustand wechseln. Licht entsteht dadurch, dass ein Elektron von solch einem energiereicheren zu einem energieärmeren Zustand wechselt, wobei die Energiedifferenz in Form eines Lichtteilchens (Photon) abgegeben wird. Der entgegengesetzte Vorgang ist die Absorption, bei der durch die Energie eines Photons ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben wird.
Bei herkömmlichen Lichtquellen erfolgt dieser Übergang durch spontane Emission, das heißt sowohl der Zeitpunkt als auch die Richtung, in die das Photon ausgesendet wird, sind zufällig. Beim Laser hingegen erfolgt dieser Übergang durch stimulierte Emission: Ein Lichtteilchen stimuliert diesen Übergang, und dadurch entsteht ein zweites Lichtteilchen, dessen Eigenschaften (Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung) mit dem des ersten identisch sind: Lichtverstärkung.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon durch Absorption ein Elektron auf ein höheres Niveau anhebt, ist genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass es eine stimulierte Emission auslöst. Um eine Verstärkung von Licht zu erreichen, müssen daher mehr Elektronen im höheren Niveau liegen als im Niedrigen, so dass aufgrund der Besetzung die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission höher ist als für die Absorption. Diesen Zustand nennt man Besetzungsinversion.
In einem technischen Laser wird das Licht durch eine Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet, in dem Besetzungsinversion (im aktiven Medium z. B. "Nd:YAG-Kristall" oder " -Gas") herrscht, geleitet. Eine solche Anordnung nennt man optischen Resonator (lat. resonare= zurücksingen, hallen). Im Resonator wird das Licht beim Hin- und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln immer weiter verstärkt, bis der Leistungszuwachs innerhalb des Systems durch die Abnahme der Besetzungsinversion und die immer stärker ansteigenden Verluste ausgeglichen wird. Einer der beiden Spiegel ist teilweise (im Promillebereich) durchlässig, um Licht aus dem Laser auskoppeln zu können. Die Leistung innerhalb des Resonators ist dadurch viel höher als die ausgekoppelte Leistung. Ausgangsleistungen von typischen Lasersystemen reichen von wenigen Mikrowatt (µW) bei Diodenlasern bis zu einigen Terawatt (TW) bei gepulsten Femto- oder Attosekunden Lasern mit externer Verstärkung.
Die Energie, welche benötigt wird, um die Elektronen in die angeregten Zustände zu versetzen, muss dem System von außen zugeführt werden. Dieser Prozess wird als Pumpen bezeichnet. Es kann elektrisch in Form einer Gasentladung, durch Injektion von Ladungsträgern beim Halbleiterlaser oder optisch durch das Licht einer Blitzlampe oder eines anderen Lasers stattfinden.
Eigenschaften von Laserstrahlung
Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles sind durch die Resonatoreigenschaften der umgebenden Optik bedingt. Da bei den meisten Lasern stabile Resonatoren eingesetzt werden, die räumlich kohärente Strahlung aussenden, kann durch Bündelung (Fokussierung) eine sehr viel höhere Leistungsdichte erreicht werden als bei gewöhnlichen Lichtquellen (z.B. Bogenlampen). Diesen Effekt macht man sich in der Holografie zu nutze. Wegen der guten Strahlqualität der meisten Laserquellen lässt sich ein Laserstrahl im Vergleich zu anderen Lichtstrahlen über große Entfernungen im freien Raum aussenden, wobei sein Durchmesser relativ wenig zunimmt.
Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (Umlenkspiegel, schräge Flächen (Brewster-Fenster), geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meist linear.
Laserlicht von ungepulsten, Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers, cw-lasers) ist häufig sehr schmalbandig und nahezu monochrom (einfarbig), d. h. es besteht aus nur einer Wellenlänge. Insbesondere ist Dauerstrich-Laserlicht 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 die Phase über einen langen Zeitraum konstant halten. Dadurch zeigt ein solches Licht besondere ausgeprägte Interferenzerscheinungen, was man sich z. B. in der Längenmessung zu nutze macht.
Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein gepulster Laser Strahlung mit einer größeren Frequenz-Bandbreite. Je kürzer die Impulsdauer, desto breiter ist das erzeugte Spektrum. Die geringsten erzielbaren Impulsdauern liegen heutzutage in der Größenordnung von Femto und Attosekunden (siehe auch: Femtosekunden-Laser). Bei derart kurzen Pulsen (Länge des Strahlungspaketes <30 µm, also ein Bruchteil einer Haarbreite) spielt bereits die ausreichende Breitbandigkeit des verstärkenden Lasermediums eine Rolle. Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse den Laser verlassen, hängt bei Modenkopplung (mode locking, einer Bedingung zur Erzeugung stabiler kurzer Pulse) von der Resonatorlänge ab. Bei einem Resonator mit einer Umlauflänge von einem Meter beträgt diese etwa 300 MHz. Aus diesen Pulsfolgen werden oft einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgeschnitten und weiterverstärkt. Mit einigen weiteren Tricks gelingt es damit instantane Leistungen bis in den Terawatt-Bereich zu erzeugen, die auf wenige Quadratmikrometer fokussiert werden können.
Neben der Modenkopplung sind die Gütemodulation (Q-switching) und das cavity-dumping weitere wichtige Techniken zu Erzeugung kurzer und energiereicher Laserpulse.
Mit Lasern ist es gelungen, Licht in hohem Grade zu kontrollieren (Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase, Zeit).
Verschiedene aktive Medien von Lasern
Laser bei denen das aktive Medium gasförmig ist. Zumeist werden Gaslaser elektrisch durch eine Gasentladung im Medium gepumpt.
- Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser): Wichtigste Emissionswellenlänge bei 632,8 nm (rot).
- Kohlendioxidlaser (CO2-Laser): etwa 10,6 μm Wellenlänge (mittleres infrarot), wichtiger Industrielaser
- Kohlenmonoxidlaser (CO-Laser): etwa 6-8 μm Wellenlänge (mittleres infrarot), funktioniert nur gekühlt
- Stickstofflaser (N2-Laser): 337,1 nm (ultraviolett)
- Argon-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 457,9 nm (8%), 476,5 nm (12%), 488,0 nm (20%), 496,5 nm (12%), 501,7 nm (5%), 514,5 nm (43%) (blau bis grün)
- Helium-Cadmium-Laser (HeCd-Laser): wichtigste Laserquelle für blau (442nm) und nahes UV (325nm)
- Krypton-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 350,7nm; 356,4nm; 476,2nm; 482,5nm; 520,6nm; 530,9nm; 586,2nm; 647,1nm (stärkste Linie); 676,4nm; 752,5nm; 799,3nm (blau bis tiefrot)
- Sauerstoff-Ionen-Laser
- Xenon-Ionen-Laser
- Mischgas-Laser, enthalten keine reinen Gase, sondern eine Mischung verschiedener (meist Argon und Krypton)
- Excimerlaser, z. B. KrF (248 nm), XeF (351-353 nm), ArF (193 nm), XeCl (308 nm), F2 (157 nm) (alles ultraviolett)
- Metalldampflaser, z. B. Kupferdampflaser, bei 510,6 und 578,2 nm. Aufgrund der hohen Verstärkung kann ein Kupferdampflaser auch ohne Resonatorspiegel betrieben werden.
- Metallhalogenid-Laser, z.B. Kupferbromid-Laser, bei 510,6 und 578,2 nm. Aufgrund der hohen Verstärkung kann ein Kupferbromidlaser auch ohne Resonatorspiegel betrieben werden.
Eine Sonderform sind die chemisch gepumpten Laser. Hier erfolgt das Pumpen durch eine chemische Reaktion im Medium. Dieses Medium ist nach der Reaktion verbraucht und kann dementsprechend nur einmal verwendet werden. Ideal für transportable Hochleistungsanwendungen vor allen im militärischen Bereich.
- HCl-Laser
- Iod-Laser
Bei diesem Laser Typ ist ein organischer Farbstoff in alkoholischer Lösung (oft Methanol oder Ethanol) das aktive Medium. Die Farbstofflösung wird dabei ständig umgepumpt, um ein Ausbleichen (photochemische Degeneration) zu vermeiden.
Beispiel für Farbstoffe:
Stilben, Coumarin, Rhodamin, LDS (Farbstoff), DCM für unterschiedliche Wellenlängen
Farbstofflaser werden im allgemeinen durch andere Laser gepumpt. Dabei nimmt man einen Leistungsverlust durch den endlichen Wirkungsgrad des Farbstofflasers in kauf um andere Wellenlängen zu erzeugen. Gepumpt werden kann sowohl kontinuierlich (kurz cw für engl. continuous wave) als auch gepulst.
Der Festkörperlaser war der erste Laser, entwickelt vom Maiman im Jahre 1960: Rubinlaser. Ein Trägerkristall wird mit Ionen eines fremden Stoffes dotiert. Diese Ionen sind das eigentliche aktive Medium. Die Laserübergänge der Ionen sind innerhalb des d-Orbitals. Diese Orbitale sind nicht an chemischen Bindungen beteiligt. Das Trägermaterial (Kristall, Glas) nimmt daher nur geringen Einfluss auf die Eigenschaften der Ionen. Beispiele für Trägermaterialien sind:
- Glas
- Vorteil : einfache Herstellung auch in großen Dimensionen
- Nachteil: geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Festigkeit
- Al2O3 (Korund) (z.b. Rubin, Ti:Saphir-Laser)
- Vorteil : hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit
- Nachteil: relativ hohe Absorption, teuer
- YAG (Yttrium-Aluminium-Granat-Laser)
- Vorteil : hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, geringe Absorption
- Nachteil: teuer
Beispiele für Dotierungsmaterialien sind:
- Chrom war das Dotierungsmaterial des ersten Lasers des Rubinlaser (694,3 nm (rot)) Aufgrund der geringen Effizenz heute kaum noch verwendet.
- Neodym: Der wichtigste kommerzielle Festkörperlaser: Nd:YAG-Laser, bei 1064 nm (infrarot), beziehungsweise frequenzverdoppelt bei 532 nm (grün). Auch möglich sind: Nd:Glas, Nd:YLF ...
- Ytterbium erlaubt im Laserbetrieb einen hohen Wirkungsgrad >50%. Es bedarf dazu allerdings eines schmalbandigen Pumpens mit Laserdioden (940nm). Das wichtigste Material mit dieser Dotierung ist der Yb:YAG-Laser, z.B. hochdotiert als Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030nm.
- Titan Ein wichtiger modengekoppelter Festkörperlaser: Ti:Saphir-Laser, 670-1100 nm (rot-infrarot), aufgrund breitbandiger Verstärkung für Pulse im fs-Bereich geeignet
Verschiedene Formen des aktiven Mediums:
Wie bei dem Festkörperlaser handelt es sich bei dem Farbzentrenlaser um einen Laser bei dem Defekte (Fremdionen, Gitterfehler, Ladungen) in einem Trägerkristall eingebettet sind. Die Laserübergänge bei dem Farbzentrenlaser werden aber durch die Wechselwirkung der Störstellen mit dem Gitter erzeugt.
Beispiele:
- eine Lithium Fehlstelle in Lithiumfluorid
- Natriumchlorid
Bei dem Halbleiterlaser werden Übergänge im Halbleiter zur Besetzungsinversion verwendet. Laserdioden sind direkt elektrisch gepumpte Laser. Die Leistung von Laserdioden mit guter Strahlqualität (M²<1,5) beträgt weniger als ein Watt. Multimode Dioden erreichen bei schlechterer Strahlqualität (1,5<M²<100) Leistungen bis 10W.
Mehrere Einzeldioden können in einem schmalen Chip (ca. 0,1 x 1 x 10 mm) nebeneinander integriert sein. Diese sogenannten Barren liefern, auf eine Wärmesenke montiert, bis ca. 50 Watt (Barren mit mehreren hundert Watt Ausgangsleistung sind in der Entwicklung, Stand Sep.2005). Die Einzeldioden sind dabei elektrisch parallel geschaltet. Den montierten Barren nennt man auch "submount".
Durch Kopplung vieler solcher Barren bzw. submounts in einem sogenannten stack (Stapel) werden Leistungen im kW-Bereich bei entsprechend schlechter Strahlqualität erreicht (M²>100).
Bis zu 6 Stapel kann man durch verschiedene Wellenlängen (üblich bis 3) und Polarisationsrichtungen verlustarm ohne Verschlechterung der Strahlqualität optisch addieren. Damit erreicht man Leistungen im zweistelligen kW-Bereich.
Beim optischen Pumpen von anderen Lasern durch Laserdioden muss die Pumpwellenlänge exakt getroffen werden. So ist in diesem Fall nur die Polarisationskopplung möglich.
Weitere Halbleiterlaser sind:
- Optisch gepumpte Halbleiterlaser, auch Halbleiter-Scheibenlaser
- Quantenkaskadenlaser
- Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) (sowohl optisch als auch elektrisch gepumpt)
- Abstimmbarer Laser (Tunable Laser Source, TLS) mit veränderbarer Wellenlänge
Freie-Elektronen-Laser (FEL)
Bei Freie-Elektronen-Lasern fungiert ein hochenergetischer Elektronenstrahl als aktives Medium. Dieser Elektronenstrahl wird durch einen Undulator, der aus Magneten besteht, die längs der Strahlrichtung so angeordnet sind, dass das Magnetfeld seine Richtung längs des Weges periodisch ändert (zeitlich ist es hingegen konstant), gelenkt. Dadurch schwingen die Elektronen mit einer bestimmten Frequenz, während sie den Undulator passieren, und geben elektromagnetische Strahlung ab. In Vorwärtsrichtung ist diese elektromagnetische Strahlung durch die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls stark blauverschoben. Durch Spiegel, die wie bei anderen Lasern angeordnet sind, können bestimmte Frequenzen konstruktiv interferieren; dadurch kommt es zu größeren Intensitäten bei diesen Frequenzen, was wiederum zur stimulierten Lichtemission der Elektronen führt. Für Laser mit größeren Wellenlängen gibt es elektronentransparente Spiegel, die aus einem Drahtgitter bestehen, wobei der Drahtabstand wesentlich kleiner ist als die Laserwellenlänge; elektronentransparente Spiegel erleichtern die Führung des Elektronenstrahls, der ja im Undulator parallel zur Laserstrahlung verläuft. Der Elektronenstrahl, der nach dem Undulator nicht viel Energie verloren hat, wird oft auf eine Anode gelenkt und die Energie geht als Wärme verloren. Die Energie des Elektronenstrahls kann auch zurückgewonnen werden, was die Effizienz des Systems erhöht. Die Laserwellenlänge kann bei freien Elektronenlasern kontinuierlich verändert werden, indem Spiegelabstand und Elektronenenergie verändert werden. Die Effizienz dieses Lasertyps kann relativ hoch sein. Man hofft, in Zukunft freie Elektronenlaser bauen zu können, die elektromagnetische Strahlung im Röntgen- oder sogar Gammabereich emittieren.
Resonatoren
Laserresonatoren werden bei fast allen Lasergeräten verwendet um das optisch aktive Medium (Verstärkungsmedium) nicht über einen sehr weit gestreckten Bereich ausdehnen zu müssen und so die Pumpeffizienz zu erhöhen. Stabile Resonatoren beeinflussen darüber hinaus die Strahlqualität und die Kohärenzeigenschaften des Laserstrahls.
Anwendungen von Lasern
Laser lassen sich in allen Bereichen der Fertigungstechnik nach DIN 8580 für verschiedene Fertigungsverfahren einsetzen:
- Urformen: Rapid Prototyping-Verfahren wie Laserstrahlsintern oder Stereolithographie
- Umformen: Laserstrahlbiegen von Metallen
- Trennen: Laserschneiden verschiedenster Materialien wie Holz, Kunststoff, Papier, Metalle
- Bohren: Mikro-Bohrungen ("Trepanieren") (für Effusionskühlung) in Turbinenschaufeln
- Abtragen: Beseitigen von Material durch Schmelzen, Verdampfen oder bis zum Plasma erhitzen; oder auch photochemischer Abbau von Substanzen (laser ablation)
- Fügen: Laserstrahlschweißen und -löten sowohl im Makrobereich wie der Automobilindustrie oder im Schiffbau, aber auch im Mikrobereich wie der Elektronikfertigung. Neben Metallen können auch viele andere Werkstoffe wie Kunststoffe, Gläser, Silizium gefügt werden.
- Beschichten: Laserstrahlpulverbeschichten und Pulsed Laser Deposition
- Stoffeigenschaften ändern: Laserstrahlhärten
- Laserunterstütztes Biegen: Erhöhte Bruchdehnung durch vorherige Behandlung mit Laser
- In der Mikroelektronik erfolgt der Abgleich von Widerständen durch Lasertrimmen
- Laserauftragschweißen: Reparaturverfahren durch Aufschmelzen Einschweißen von Metallpulver
- Isotopentrennung: hier wird die unterschiedliche Atom- oder Molekülresonanz der verschiedenen Isotope oder deren organischer Verbindungen ausgenutzt, um sie mittels darauf abgestimmter Laser zu separieren (siehe AVLIS, MLIS).
- In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsächlich in der Diagnose eingesetzt, z.B. bei der Messung von Blutstrom und -zirkulation. Weiterhin ist er im Bereich Laser-Akupunktur im Einsatz.
- 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 Hornhaut beziehungsweise Material der Augenlinse korrigiert werden (z. B. LASIK-Operation).
- 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-Operation". Die Laser-Behandlung ist in vielen Fällen schonender und ambulant durchführbar.
- In der Dermatologie und Venerologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen. Manche Hautkrankheiten werden mittels subcutaner Erwärmung behandelt. Ebenso gibt es unterschiedliche Diagnosetechniken der Kofokale Mikroskopie, sowie der optischen Kohärenztomografie (OCT).
- In der Zahnmedizin kann der Laser den Bohrer ersetzen, oder für Zahnweißung verwendet werden.
- In der Krebstherapie wird er für die photodynamische Therapie eingesetzt.
- In der Urologie zur Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen und der Prostata.
- Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen u.a. die Versuche, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen.
Eine Reihe von Messgeräten sind auf Laserbasis konstruiert...
- Durch Interferenzen oder das Kohärenzradar sind Präzisionsmessungen möglich.
- Beim Tunnelbau kann durch Laserstrahlen ein gerader Tunnelvortrieb erreicht werden.
- Im Bauwesen wird er zum Nivellieren genutzt.
- In der Verkehrsüberwachung werden Laserpistolen von der Polizei (Exekutive) zur Geschwindigkeitsmessung von Kraftfahrzeugen verwendet.
- In Barcodelesegeräten werden die Laser zum Abtasten von Barcodes verwendet. Dabei wird der Strahl über ein Spiegelrad gleichmäßig über den Barcode linienförmig geführt. Der reflektierte Strahl wird über einen Fototransistor als hell-dunkel Sequenz ausgewertet.
- In Brandmeldern ("Lasermelder")
- Schwingungsanalyse und Formerfassung durch elektronische Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI)
- Lasermikrofon
- Lidar: Lidar steht für "light detection and ranging" und ist eine dem Radar ("radiowave detection and ranging") verwandte Methode zur Fernmessung atmosphärischer Parameter.
- Laser-Doppler-Anemometer zur berührungsfreien Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten.
- Laser-Lichtschnittsensor zur Messung von Höhenprofilen entlang einer Linie.
- Vermessungen der Erde durch Satelliten, Messung von tektonischen Verschiebungen
- Spektroskopie:
- Vermessung atomarer Energieniveaus (Atomspektroskopie)
- In der Chemie ist durch Infrarot- und Ramanspektroskopie die Identifizierung und Analyse von Molekülen möglich.
- Zeitaufgelöste Spektroskope mit ultrakurzen Laser-Impulsen im Pikosekunden-Bereich, z.B. zeitlicher Ablauf von chemischen Reaktionen
- Nichtlineare Optik: z. B. Frequenzkonversion
- Mit einem Konfokalmikroskop kann man die Probleme der Schärfentiefe des Lichtmikroskopes umgehen.
- In der Zellbiologie als Optische Pinzette
- Laserkühlung und Atom- bzw. Ionenfallen
- Nachweis von Gravitationswellen mittels besonders großer Laserinterferometer.
- Bestimmung von Windgeschwindigkeiten und/oder Teilchenkonzentration in der Erdatmosphäre.
- Beschriften und Markieren: Beschriften mit Laser. Papier, Pappe, Holz, Glas, Leder, Kunststoffe, Metalle. Farbabtrag von beschichteten Gegenständen; Farbumschlag auf Kunststoffen, Anlassbeschriftung auf Metall, leichte Gravur auf verschiedenen Materialien.
- Als Kunstobjekte
- Zur Datenspeicherung
- Als Messverfahren
- Zur Bildspeicherung
- Datenspeicherung, z. B. CD-ROM, DVD
- Datenübertragung, z. B. mit Glasfasern
- Datenfernübertragung, Laser-WLAN, siehe auch Optischer Richtfunk
- Laserdrucker
- Markierung von Zielen für selbststeuernde Waffen
- Entfernungsmessung mittels der Lasermesseinheit für z. B. Panzer
- erste Versuche von Lasergewehren die den Gegner z. B. erblinden lassen
- Hochenergielaser auf Flugzeugen (Boeing AL-1) und Schiffen zur Raketenabwehr
- projektierte Lasersatelliten zur Raketenabwehr mittels Hochenergielasern (chemische Laser, Röntgenlaser)
Sonstiges / Unterhaltung
- Laserpointer
- Disco, Bühnenshows (siehe Lasershow)
- RGB-Systeme, Vorteil: intensive Farben durch schmalbandiges Laserlicht, HDTV-Farbraum und sehr große Schärfentiefe durch hohe Brillianz der Laserstrahlen (Schärfentiefe ist nicht unendlich, sondern bestenfalls Beugungsbegrenzt)
- im Planetarium ZULIP (Einzelbild) von der Jenoptik LDT GmbH
- ADLIP (Ausleuchtung der gesamten Kuppel) ebenfalls von der Jenoptik LDT GmbH ; Das Planetarium in Peking bietet als erstes ein solches Ganzkuppel-Lasersystem.
- Laserguided AGV Spurführung für Fahrerlose Transportsysteme
Laser-Klassen
Lasergeräte werden entsprechend der 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 Commission on Non-Ionizing Radiation Protection Grenzwerte heraus im Spektralbereich zwischen 400 und 1400nm.
Primär wird dabei die thermische Leitung und der Grenze bei der nichtionisierenden Strahlung gezogen. Durch die optischen Fokussiereigenschaften des Auges ist die Gefährlichkeit im sichtbaren Spektrum erhöht. Im nichtsichtbaren Bereich gibt es einen angrenzenden Bereich in dem das Auge noch immer gut fokussiert und transparent ist.
Klassifizierung nach DIN EN 60825-1
Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach DIN EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDI 0837 (siehe unten) darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden)
| Klasse | Beschreibung |
|---|---|
| 1 | Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich. CD-Player |
| 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) ungefährlich auch für das Auge. Eine längere Bestrahlung wird durch den natürlichen Lidschlussreflex verhindert. (*) |
| 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. |
| 4 | Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Die Laserstrahlung kann Brand- oder Explosionsgefahr verursachen. |
Klassifizierung nach DIN VDI 0837
Bis März 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDI 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebräuchlich.
| Klasse | Beschreibung |
|---|---|
| 1 | entspricht der Klasse 1 nach DIN EN 60825-1 |
| 2 | entspricht der Klasse 2 nach DIN EN 60825-1 Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 1M eingestuft. |
| 3a | Die zugängliche Laserstrahlung wird für das Auge gefährlich, wenn der Strahlungsquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird. Ist dies 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 meist in Klasse 2M oder 3R eingestuft. |
| 3b | entspricht der Klasse 3B nach DIN EN 60825-1 Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 2M oder 3R eingestuft. |
| 4 | entspricht der Klasse 4 nach DIN EN 60825-1 |
Literatur
- William T. Silfvast: Laser Fundamentals 2. Auflage. Verlag Cambridge University Press, 2004, ISBN 0-521-83345-0
Siehe auch
Weblinks
- Sam's Laser FAQ (englisch)
- Enzyklopädie der Laserphysik und Lasertechnologie (größtenteils englisch)
- Interaktive Darstellung von Absorption, Emission und stimulierter Emission (Java-Applet)
- Interaktive Darstellung des Laserprinzips (Java-Applet)
- Laserdatenbank und Linkssamlung aus dem Bereich Lasertechnik (deutsch)
- Freie Elektronen Laser am Desy in Hamburg
- Laser in der Dermatologie Deutsche Dermatologische Lasergesellschaft DDL e.V.