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Laser

Akronym für engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung)
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Laser [ˈleɪzɚ] ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsaussendung). Der Begriff wurde 1957 von Gordon Gould geprägt.

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Laser (USAF)

Laser sind Lichtquellen, deren Gemeinsamkeit im Entstehungsprozess des Lichts liegt, nämlich in der sogenannten stimulierten Emission. So gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Lasermodelle mit den verschiedensten Eigenschaften. Ein Laser besteht dabei immer aus einen optisch aktiven Medium, in dem das Licht erzeugt wird, und einem Resonator, der für die Eigenschaften des Laserstrahls, wie Parallelität oder Strahlprofil, verantwortlich ist.

Laser haben faszinierende Eigenschaften, die sie stark von klassischen Lichtquellen (wie z.B. einer Glühlampe) unterscheiden. So kann mittels Lasern die Wellennatur des Lichts durch Interferenzeffekte direkt beobachtet werden. Laserlicht kann extrem einfarbig (monochromatisch) sein, in einem Strahl gebündelt, hoch intensiv und gut fokussierbar, was es für Anwendungen als Schneid- und Schweißwerkzeug oder auch als Laserskalpell in der Medizin geeignet macht.

Laser können auch so konstruiert werden, dass sie extrem kurze Pulse (~10 fs-Bereich) aussenden, so dass die zeitaufgelöste Laserspektroskopie ein Standardverfahren zur Untersuchung schneller Prozesse geworden ist.

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 Besetzungsinversion 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 - ein Rubin-Festkörperlaser - wurde 1960 von Theodore Maiman gebaut und am 26. Mai fertiggestellt.

Die weitere Entwicklung führte dann zunächst zu Gaslasern (Stickstoff-, CO2-Laser, He-Ne-Laser) 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-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 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 90er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechnologien 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 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

Datei:Lasing.png
Stimulierte Emission: Lasing

Durch Energiezufuhr kann ein Elektron eines Atoms oder der Schwingungszustand eines Moleküls in einen angeregten Zustand wechseln. Licht entsteht dadurch, dass ein Elektron oder ein Schwingungsmodus 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 in einem Zwei-Niveau-System genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass es eine stimulierte Emission auslöst. Um eine Verstärkung von Licht zu erreichen, müssen daher mehr Zustände im höheren Niveau vorliegen 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 (typisch: Promille bis 15%, je nach Verstärkung) durchlässig, um Licht aus dem Laser auskoppeln zu können. Die Feldstärke innerhalb des Resonators ist dadurch viel höher als die ausgekoppelte Leistung. Lasermedien mit sehr hoher Verstärkung können auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel lasern (Superstrahler, z.B. Stickstofflaser).

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 Atome oder Moleküle 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 Gasentladungslampe (Blitzlampe oder Bogenlampe) oder eines anderen Lasers stattfinden. Auch eine chemische Reaktion kann zum Pumpen dienen. Beim Freie-Elektronen-Laser stammt die Pumpenergie aus dem Elektronenstrahl.

Eigenschaften von Laserstrahlung

Strahleigenschaften

Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser-Resonators bestimmt: die Laseremission wird durch diesen nur in einer Richtung ermöglicht, die durch die Spiegelanordnung und die Geometrie des Aktiven Mediums bestimmt ist. Da Laser dadurch nahezu parallel in eine Richtung verlaufende Strahlung aussenden, kann durch Bündelung (Fokussierung) eine sehr viel höhere Leistungsdichte erreicht werden als bei gewöhnlichen Lichtquellen (z.B. Bogenlampen). Das Verhalten von Laserstrahlen kann oft gut durch Gaußstrahlen beschrieben werden.

Kohärenz

Bei einer normale Glühlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet, sondern auch zeitlich leicht versetzt, also phasenverschoben. Bei einem Laser dagegen "springen" die Wellen jeweils fast zeitgleich ab. Die Wellen sind also über mehr oder weniger lange Strecken fast phasengleich (sog. Kohärenzlänge). Dies macht man sich auch in der Holografie zu nutze.

Polarisation

Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (Umlenkspiegel, schräge Flächen (Brewster-Fenster), geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meist linear.

Frequenz, Wellenlänge

Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das Aktive Medium bestimmt. Es gibt Stoffe, die auf vielen Wellenlängen zum Lasern angeregt werden können - jedoch meist bei einer besonders gut. Daher sind Laser sehr schmalbandige Strahlungsquellen. Die Schmalbandigkeit ist z. B. bei der interferometrischen Längenmessung mittels Lasern von Bedeutung.

Dauerstrich und gepulste Laser

Laserlicht von ungepulsten, Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers, cw-lasers) ist häufig sehr schmalbandig (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 der Phase über eine lange Strecke konstant sind. Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgeprägte Interferenzerscheinungen.

Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein gepulster Laser Strahlung mit einer prinzipiell 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: Femtosekundenlaser). 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 einer Form der instantanen Kerr-Linsen-Modenkopplung (engl. Kerr lens mode locking, ein Verfahren zur Erzeugung extrem kurzer, stabiler 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, Spitzen-Leistungen bis in den Petawatt-Bereich zu erzeugen, die nur noch im Vakuum übertragen und fokussiert werden können.
Die Gütemodulation (Q-switching) mit akustooptischen Güteschaltern oder Pockelszellen sind weitere 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

Gaslaser

 
Demonstrationslaser: In der Mitte ist das Leuchten der Gasentladung zu sehen, die das Lasermedium anregt. Der Laserstrahl selbst ist rechts als roter Punkt auf dem weißen Schirm zu erkennen.

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 allem im militärischen Bereich.

  • HCl-Laser
  • Iod-Laser

Farbstofflaser

Bei diesem Lasertyp 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.

Beispiele für Farbstoffe:

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.

Festkörperlaser

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 (Wirts-Kristall, Glas) nimmt daher nur geringen Einfluss auf die Eigenschaften der Ionen. Beispiele für Trägermaterialien sind:

  • Glas (Stabform oder Faserlaser)
    • Vorteil : einfache Herstellung auch in großen Dimensionen
    • Nachteil: geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Festigkeit
  • Al2O3 (Korund, Saphir) (z.b. Rubin (Chrom-Dotierung), Ti:Saphir-Laser)
    • Vorteil : hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit
    • Nachteil: relativ hohe Absorption, teuer
  • YAG (Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) Dotierung Nd, Er, Yb
    • Vorteil : hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, geringe Absorption
    • Nachteil: teuer
  • Yttrium-Vanadat (YVO4), Dotierung Nd
  • YLF

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, 1064nm, 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, 1030nm, 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
  • Erbium Wellenlänge 3 µm, Pumpen bei 980nm, sog. "augensicherer" Laser, Verwendung für Laser-Entfernungsmesser und in der Medizin

Verschiedene Formen des aktiven Mediums:

Farbzentrenlaser

Wie bei dem Festkörperlaser handelt es sich bei dem Farbzentrenlaser um einen Laser, bei dem Defekte (Fremdionen, Gitterfehler, Ladungen) in einen Trägerkristall eingebettet sind. Die Laserübergänge bei dem Farbzentrenlaser werden aber durch die Wechselwirkung der Störstellen mit dem Gitter erzeugt.

Beispiele:

Halbleiterlaser

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 10 W.

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.
Zum optischen Pumpen von Festkörper-Lasern durch Laserdioden muss die Pumpwellenlänge exakt getroffen werden. Dazu müssen die Diodenlaser jedoch meist nicht zu Strahlen mit hoher Leistungsdichte zusammengefasst werden - ansonsten wäre nur die Polarisationskopplung möglich.

Weitere Halbleiterlaser sind:

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 allen Lasergeräten verwendet, um den Strahl kohärent zu machen. Ohne den Resonator wäre der Aufbau nur ein Lichtverstärker und keine kohärente Strahlquelle die man als Laser bezeichnet. Die Güte des Resonators beeinflusst die Strahlqualität und die Kohärenzeigenschaften des Laserstrahls. Bei den Resonatoren unterscheidet man grundsätzlich zwei verschiedene Arten die unterschiedliche Vor- und Nachteile besitzen.

Instabile Resonatoren

Vorteile: Gute Ausnutzung des Lasermedium, daher werden sie meist in Lasern verwendet, die eine hohe Verstärkung pro Resonatorumlauf aufzeigen.

Nachteil: Schlechte Strahlqualität

Stabile Resonatoren

Vorteile: Gute Strahlqualität durch geringe Beugungen innerhalb des Resonators

Nachteil: Schlechte Ausnutzung des Lasermediums


Formel zur Berechnung der Stabilität des Resonator:

  wobei   bzw.  

mit L= Resonatorlänge und r= Krümmungsradius

Ist das Ergebnis gerade 0 oder 1 so nennt man den Resonator grenzstabil.

Ein Beispiel hierfür ist der konfokale Resonator. Bei ihm ist der Krümmungsradius der beiden Spiegel gleich der Resonatorlänge. Also  . Das Ergebnis ist also Null was die Grenzstabilität bestätigt.

Anwendungen von Lasern

Fertigungstechnik

Laser lassen sich in allen Bereichen der Fertigungstechnik nach DIN 8580 für verschiedene Fertigungsverfahren einsetzen:

Medizin

Messtechnik

Eine Reihe von Messgeräten sind auf Laserbasis konstruiert...

Wissenschaft

Laserbeschriftung

  • 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.

Holographie

  • Als Kunstobjekte
  • Zur Datenspeicherung
  • Als Messverfahren
  • Zur Bildspeicherung

Datentechnik

Mikro-Fotolithografie

Mit Lasern konnen Strukturen im µm- und sub-µm-Bereich auf fotosensitive Materialien geschrieben werden. Mittels Mikrolithographischer Systeme werden im Direktschreibverfahren hochaufgelöste Vorlagen (Masken) für verschiedenste Anwendungen erzeugt, die dann 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.

u.v.m.

Militärtechnik

  • 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)

Unterhaltung/Medien

  • CD-Spieler, DVD-Spieler
  • 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
    • im Planetarium ADLIP (Ausleuchtung der gesamten Kuppel) ebenfalls von der Jenoptik LDT GmbH. Das Planetarium in Peking bietet als erstes ein solches Ganzkuppel-Lasersystem.

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 International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection Grenzwerte im Spektralbereich zwischen 400 und 1400nm heraus.

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.
*) Anmerkung zu Laserklasse 2 und 2M: Durch wissenschaftliche Untersuchungen (FH Köln) wurde festgestellt, 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 darf somit in der Regel nicht ausgegangen werden. Daher sollte man, falls Laserstrahlung der Klasse 2 oder 2M ins Auge trifft, bewusst die Augen schließen oder sich sofort abwenden. Des weiteren ist zu beachten, dass der Lidschlussreflex nur bei sichtbarem Licht erfolgt. Laserstrahlung im Infrarotbereich z.B. führt nicht zu einem Lidschluss, da die Strahlung vom Auge nicht wahrgenommen wird. Deshalb ist ein besonders vorsichtiger Umgang mit unsichtbarer Laserstrahlung anzuraten.

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. Cambridge University Press, Cambridge 2004 (2. Aufl.). ISBN 0-521-83345-0

Siehe auch

Wiktionary: Laser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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