Laser

Ein Laser ist eine Lichtquelle, die extrem gebündelte Lichtstrahlen erzeugt.

Das Wort Laser ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung).

Durch Energiezufuhr kann ein Elektron auf eine energiereichere Bahn um den Atomkern wechseln. Man spricht dann von einem angeregten Atom. Licht entsteht dadurch, dass ein Elektron von solch einer energiereicheren auf eine energieärmere Bahn 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.

Die meisten Laser basieren auf dem Resonatorprinzip (lat. resonare= zurücksingen, hallen). Hier wird das Licht zwischen zwei verspiegelten Flächen hin- und hergeworfen. Die Lichtquanten treffen dabei auf angeregte Atome und veranlassen diese, Energie in Form eines Lichtblitzes (Lichtquants) abzugeben, was stimulierte Emission genannt wird. Dabei wird das abgegebene Photon in die gleiche Richtung abgestrahlt wie dasjenige, das den Zustandswechsel ausgelöst hat und erhält die gleiche Phase, Polarisation und Wellenlänge - das eingehende Photon wird also dupliziert (neudeutsch: geklont) bzw. verstärkt. In Oszillatoren wird das Licht beim Hin- und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln immer weiter verstärkt, bis der Leistungszuwachs (englisch: Gain) innerhalb des Systems durch 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 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).

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.
  • Vermessungen der Erde durch Satelliten, Messung von tektonischen Verschiebungen
• Holographie
  • Als Kunstobjekte
  • Zur Datenspeicherung
• Datentechnik
  • Datenspeicherung, z.B. CD-ROM, DVD
  • Datenübertragung, z.B. mit Glasfasern
• Sonstiges / Unterhaltung
  • Laserpointer
  • Disco, Bühnenshows...