Laser
Ein Laser ist eine Lichtquelle, die monochromatisches, kohärentes, kollimiertes Licht erzeugen kann. Das Wort Laser ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung). Auf dem selben Prinzip wie der Laser basiert auch sein Vorläufer, der Maser, der aber Mikrowellenstrahlung aussendet.
Wirkungsprinzip
Durch Energiezufuhr kann ein Elektron eines Atomes oder Moleküls in einen angeregten Zustand wechseln. Licht entsteht dadurch, dass ein Elektron von solch einem energiereicheren zu einem energieärmeren Zustand wechselt, wobei die Energiedifferenz als Photon (Lichtteilchen) abgegeben wird. Normalerweise ist sowohl der Zeitpunkt wie auch die Richtung, in die das Photon ausgesendet wird, zufällig. Dieser Prozess wird spontane Emission genannt. Davon zu unterscheiden ist die stimulierte Emission, auf der das Laserprinzip beruht.
Bei der stimulierten Emission wird der Übergang eines Elektrons vom energetisch höheren in den tiefer gelegenen Zustand von einem Lichtquant (Photon) ausgelöst, danach entstehen zwei Photonen mit gleicher Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung, d.h. das Licht wird verstärkt. Der entgegengesetzte Vorgang ist die Absorption, bei der durch die Energie eines Photons ein Elektron in ein höheres Niveau gehoben wird.
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 in einem Festkörper nennt man Besetzungsinversion.
In einem technischen Laser wird das Licht durch eine Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet, in dem Besetzungsinversion herrscht, geleitet. Eine solche Anordnung nennt man Resonator (lat. resonare= zurücksingen, hallen). Einer der beiden Spiegel ist teilweise durchlässig, um Licht aus dem Laser auszukoppeln, so dass das Laserlicht austritt.
In Oszillatoren 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 an den Enden des Resonators hat einen teildurchlässigen Bereich, durch den das Licht austreten kann. Die Leistung innerhalb einer Oszillatorkavität ist üblicherweise 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.
Eigenschaften von Laserlicht
Laserlicht kann extrem stark gebündelt werden, da kollimierte (parallel laufende) Lichtstrahlen miteinander korreliert sind. Diese Eigenschaft nennt man hohe räumliche oder transversale Kohärenz. Am Rand der Öffnung können jedoch Beugungseffekte auftreten.
Die Polarisation von Laserstrahlen ist meist geordnet und üblicherweise linear. Laserlicht von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers) ist meist monochrom (einfarbig), weil alle Photonen die gleiche Energie haben, was einer einheitlichen Wellenlänge (Farbe) entspricht. Reale Dauerstrich-Laser weisen meist mehrere Laserlinien auf, die unabhängig voneinander verstärkt werden.
Außerdem ist Dauerstrich-Laserlicht zeitlich bzw. longitudinal kohärent, was bedeutet, dass die einzelnen Wellenpakete nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch alle im gleichen Takt. Diese Eigenschaft ermöglicht erst die Holographie.
Gepulstes Laserlicht ist dagegen zeitlich inkohärent (zu unterschiedlichen Zeiten stehen die Intensitäten nicht miteinander in Verbindung). Dennoch gibt es bei gepulsten Lasern die Möglichkeit die relative Phase, z.B. Phase am Maximum des Pulses, miteinander in Verbindung zu bringen. Ebenso ist eine Stabilisierung der absoluten Phase (Phase hat einen bestimmten Wert und ist relativ stabil) möglich. Damit ist es gelungen Licht vollständig zu kontrollieren (Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase).
Verschiedene Typen von Lasern (incl. einigen Beispielen)
- Gaslaser
- Helium-Neon-Laser, bei 632,8 nm Wellenlänge
- Kohlendioxidlaser bei ca 10,6μm Wellenlänge
- Stickstofflaser im UV
- Argon-Ionen-Laser, mehrere Linien z.B. bei 488 nm, 514 nm
- Excimerlaser, z.B. KrF (248 nm), XeF (351-353 nm) , ArF (192 nm)
- Farbstofflaser
- CW-Farbstofflaser mit umgepumpten Farbstoff, Farbstoffe z.B. Stilben, Cumarin, Rhodamin
- Blitzlampengepumpte Laser
- Farbzentrenlaser
- z.B. in NaCl
- Festkörperlaser
- erster Laser, entwickelt vom Maiman: Rubinlaser, 694,3 nm 1960
- hierbei ist der NdYAG-Laser, bei 1064 nm (bzw. bei 532nm frequenzverdoppelt) der wichtigste kommerzielle Festkörperlaser.
- Halbleiterlaser
- Laserdioden (elektrisch gepumpt)
- Optisch gepumpte Halbleiterlaser
- Quantenkaskadenlaser
- Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) (sowohl optisch als auch elektrisch gepumpt)
- Chemische Laser
- HCl-Laser
- Iod-Laser
- Freie Elektronenlaser
Anwendungen von Lasern
- Werkstoffbearbeitung:
- Durch die starke Bündelung können extrem starke Laserstrahlen erzeugt werden, mit denen Werkstoffe geschnitten oder geschweißt werden können
- Medizin:
- In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose eingesetzt, z.B. in der optischen Kohärenztomographie OCT. In der Therapie kann mit höherer Leistung eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund verschweißt werden.
- In der Dermatologie und Venerologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen.
- In der Zahnmedizin kann der Laser den Bohrer ersetzen
- Messtechnik
- 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 KFZ verwendet.
- in Barcodelesegeräten werden die Laser zum Abtasten 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.
- Wissenschaft
- Vermessungen der Erde durch Satelliten, Messung von tektonischen Verschiebungen
- In der Chemie ist durch Infrarot- und Ramanspektroskopie die Identifizierung und Analyse von Molekülen möglich.
- Mit einem Konfokalmikroskop kann man die Probleme der Schärfentiefe des Lichtmikroskopes umgehen.
- Holographie
- Als Kunstobjekte
- Zur Datenspeicherung
- Datentechnik
- Datenspeicherung, z.B. CD-ROM, DVD
- Datenübertragung, z.B. mit Glasfasern
- Datenfernübertragung, Laser-WAN, siehe auch Optischer Richtfunk
- Sonstiges / Unterhaltung
- Laserpointer
- Disco, Bühnenshows...
neuere Entwicklungen in der Augenheilkunde bzw. Zahnmedizin ist die Femto-Sekunden-Laser oder FS-Laser-Technik