Laser

Dieser Artikel befasst sich mit dem Laser als eine besondere Lichtquelle. Für die gleichnamige Bootsklasse siehe Laser (Bootsklasse).

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Ein Laser ist eine Lichtquelle, die Licht durch stimulierte Emission erzeugt. Dieses Licht besitzt in der Regel eine große räumliche Kohärenz, wodurch es sich besonders gut zu einem gebündelten Laserstrahl kollimieren läßt. Aufgrund der ebenfalls großen zeitlichen Kohärenz des Laserlichtes eines kontinuierlichen Lasers ist dieser in der Lage, extrem monochromatisches (d.h. einfarbiges) Licht zu liefern. Das Wort Laser ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Auf dem selben Prinzip wie der Laser basiert auch sein Vorläufer, der Maser, der aber Mikrowellenstrahlung aussendet. Der erste Laser wurde 1960 von Theodore Maiman gebaut.

Entdeckung

Der Ingenieur und Physiker Thomas Maiman (geb. 1927) baute 1960 das erste funktionierende Lasergerät. Er erzeugte Laserlicht, indem er einen Rubinkristall mit Licht aus dem Blitzwürfel eines Fotoapparates "pumpte". Das Gerät war nur wenige Zentimeter lang, funktionierte aber gut. Maimans Erfindung baute auf früher entwickelten Geräten von Nikolai Bassow und Charles H. Townes auf.

Wirkungsprinzip

Datei:Lasing.png

Stimulierte Emission: Lasing

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. D. h. 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 "$\mathrm {CO_{2}}$-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 Prozentbereich) durchlässig, um Licht aus dem Laser auszukoppeln, so dass das Laserlicht austritt. 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.

Eigenschaften von Laserlicht

Laserlicht kann extrem stark gebündelt werden, da es sich um räumlich kohärentes Licht handelt.

Die Polarisation von Laserstrahlen ist meist geordnet und üblicherweise linear.

Laserlicht von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers, cw-lasers) ist monochrom (einfarbig), d. h. es besteht aus besonders wenigen Lichtkomponenten verschiedener Wellenlänge. Insbesondere ist Dauerstrich-Laserlicht zeitlich beziehungsweise longitudinal kohärent, was bedeutet, dass die beteiligten Wellen nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch alle im gleichen Takt. Dadurch zeigt ein solches Licht besondere ausgeprägte Interferenzerscheinungen, was man sich z. B. in der Holographie zu nutze macht. Ebenso ist eine Stabilisierung der absoluten Phase (Phase hat einen bestimmten Wert und ist relativ stabil) möglich.

Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein modengekoppelter Laser Licht mit verschiedenen Frequenzen. Wenn diese Frequenzen eine feste Phasenbeziehung zueinander besitzen, so kommt es zur Ausbildung einer pulsierenden Ausgangsleistung. Die somit erzielbaren Impulsdauern liegen heutzutage in der Größenordnung von Femtosekunden (siehe auch: Femtosekunden-Laser). Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse den Laser verlassen, hängt von der Resonatorlänge ab. Bei einem Resonator mit der Umlauflänge vom einem Meter beträgt diese etwa 300 MHz.

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 vollständig zu kontrollieren (Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase).

Verschiedene aktive Medien von Lasern

Gaslaser

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)
• Stickstofflaser (N₂-Laser): (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)
• 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.

Eine Sonderform sind die Chemisch gepumten 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

Farbstofflaser

Bei diesem Laser Typ ist ein organischer Farbstoff in wässriger Lösung das aktive Medium.

• CW-Farbstofflaser mit umgepumpten Farbstoff, Farbstoffe z. B. Stilben, Coumarin, Rhodamin, LDS (Farbstoff), DCM (Farbstoff) für unterschiedliche Wellenlängen
• Nd:YAG-Laser, Excimerlaser oder Stickstofflaser gepumpte Pulslaser. Farbstoffe siehe oben.
• Blitzlampengepumpte Laser

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 des Ionen sind innerhalb des d-Orbitals. Diese Orbitale sind nicht an chemischen Bindungen beteiligt. Der Trägerkristall nimmt daher nur geringen Einfluss auf die Eigenschafter 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
  • 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 wichtigster kommerzieller Festkörperlaser: Nd:YAG-Laser, bei 1064 nm (infrarot), beziehungsweise frequenzverdoppelt bei 532 nm (grün). Auch möglich sind: Nd:Glas, Nd:YLF ...
• Ytterbiumerlaubt im Laserbetrieb einen hohen Wirkungsgrad >50%. Es bedarf allerdings eines schmalbandiges Pumpen mit Laserdioden. Das wichtigste Material mit dieser Dotierung ist der Yb:YAG-Laser, der bei 1030nm.
• Titan Ein wichtiger modengekoppelter Festkörperlaser: Ti:Saphir-Laser, 700-900 nm (rot-infrarot)

Verschiedene Formen des aktiven Mediums:

• Stablaser
• Slablaser
• Faserlaser
• Scheibenlaser

Farbzentrenlaser

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

Halbleiterlaser

Bei dem Halbleiterlaser werden Übergänge im Halbleiter zur Besetzungsinversion verwendet. Laserdioden sind direkt elektrisch gepumte Laser. Die Leistungen von Laserdioden mit guter Strahlqualität (M²<1,5) weniger als ein Watt. Multimode Dioden erreichen bei schlechterer Strahlqualität (1,5>M²>100) Leistungen bis 10W. Durch Kopplung vieler Diodenlaser in einem Array werden Leistungen im zweistelligen kW-Bereich bei entsprechend schlechter Strahlqualität erreicht (M²>100). 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; elektronentransparenten Spiegel erleichtern die Führung des Elektronenstrahls, der ja im Undulator parallel zu den Lichtwellen ist. 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 Lichtwellenlänge 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 von Lasern

• Superstraler Zufallslaser?
• Stabile Resonatoren
• Instabile Resonatoren

Anwendungen von Lasern

Werkstoffbearbeitung

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

• Urformen: Rapid Prototyping-Verfahren wie Laserstrahlsintern oder Stereolithographie
• Umformen: Laserstrahlbiegen von Metallen
• Trennen: Laserstrahlschneiden verschiedenster Materialien wie Holz, Kunststoff, Papier, Metalle
• 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
• Stoffeigenschaften ändern: Laserstrahlhärten, -beschriften

Medizin

• 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 kann der Laser endovenös (Laser-Lichtleiter wird in die Vene eingebracht) angewendet werden, um defekte Venen (Krampfadern) zu behandeln. Das Laser-Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch "Stripping-Operation". Die Laser-Behandlung ist schonender und ambulant durchführbar.
• In der Dermatologie und Venerologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen.
• In der Zahnmedizin kann der Laser den Bohrer ersetzen.
• In der Tumortherapie wird er für die photodynamische Therapie eingesetzt.
• Neuere Entwicklungen in der Augenheilkunde beziehungsweise Zahnmedizin sind teilweise durch die Femtosekunden-Laser- oder FS-Laser-Technik möglich geworden.
• Die Technik, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen, befindet sich noch in der Forschung.
• Laserskalpell

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 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.

Wissenschaft

• Vermessungen der Erde durch Satelliten, Messung von tektonischen Verschiebungen
• Vermessung atomarer Energieniveaus (Atomspektroskopie)
• In der Chemie ist durch Infrarot- und Ramanspektroskopie die Identifizierung und Analyse von Molekülen möglich.
• Zeitaufgelöste Spektroskope mit ultrakurzen Laser-Impulen im Pikosekunden-Bereich, z. B. zeitlicher Ablauf von chem. Reaktionen
• Nichtlineare Optik
• Mit einem Konfokalmikroskop kann man die Probleme der Schärfentiefe des Lichtmikroskopes umgehen.
• In der Zellbiologie als Optische Pinzette

Holographie

• Als Kunstobjekte
• Zur Datenspeicherung

Datentechnik

• Datenspeicherung, z. B. CD-ROM, DVD
• Datenübertragung, z. B. mit Glasfasern
• Datenfernübertragung, Laser-WAN, siehe auch Optischer Richtfunk

Militär

• Markierung von Zielen für selbststeuernde Waffen
• Entfernungsmessung 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

Sonstiges / Unterhaltung

• Laserpointer
• Disco, Bühnenshows,
• RGB-Systheme Vorteil: intensive Farben durch schmalbandiges Laserlichts, große Schärfentiefe durch hohe Brillianz der Laserstrahlen (LaserTV (Schneider);im Planetarium als moderner "Diaprojektor" mit Ausleuchtung der vollen Halbkugel)

Laser-Klassen

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 1	Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich.
Klasse 1M	Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
Klasse 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.
Klasse 2M	Wie Klasse 2 solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
Klasse 3R	Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge.
Klasse 3B	Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut.
Klasse 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 0,25s 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 1	entspricht der neuen Klasse 1
Klasse 2	entspricht der neuen Klasse 2 Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 1M eingestuft.
Klasse 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.
Klasse 3b	entspricht der neuen Klasse 3B Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 2M oder 3R eingestuft.
Klasse 4	entspricht der neuen Klasse 4

Weblinks

• Sam's Laser FAQ (englisch)
• Enzyklopädie der Laserphysik und Lasertechnologie (englisch)