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Laser

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen werden unter Laser (Begriffsklärung) aufgeführt.

Laser [ˈleɪzɚ] ist ein Akronym aus engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wörtlich übersetzt: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Den Begriff prägte Gordon Gould 1957 in Anlehnung an den Maser. Frühere Arbeiten zu Lasern bezogen sich auf optical maser (Optische Maser).

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Laser sind Strahlungsquellen (Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung), deren Gemeinsamkeit im Entstehungsprozess der Strahlung liegt, nämlich in der so genannten stimulierten Emission. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Typen von Lasern mit den verschiedensten Eigenschaften. Ein Laser besteht immer aus einem optisch aktiven Medium (z. B. Kristall), in dem die Strahlung erzeugt wird, und meistens einem Resonator, der für die Eigenschaften des Laserstrahls mitverantwortlich ist.

Laser haben Eigenschaften, die sie stark von klassischen Lichtquellen (wie z. B. einer Glühlampe) unterscheiden. Hierzu gehören z. B. ein sehr enges Frequenzspektrum (Farbe des Lichts), die Bündelung der Strahlen und die große Reichweite. Aufgrund dieser Eigenschaften gibt es zahlreiche technische Anwendungsmöglichkeiten. Diese Möglichkeiten reichen von der einfachen Anzeige (z. B. Laserpointer bei Präsentationen) über Entfernungsmessgeräte bis hin zum Schneid- und Schweißwerkzeug oder auch als Laserskalpell in der Medizin.

Laser können auch so konstruiert werden, dass sie Pulse mit extrem geringer Dauer (~10-fs-Bereich) aussenden. Die damit mögliche zeitaufgelöste Laserspektroskopie ist ein Standardverfahren zur Untersuchung schneller Prozesse geworden.

Geschichte

Albert Einstein beschrieb bereits 1916 die stimulierte Emission als Umkehrung der Absorption. 1928 gelang Rudolf Ladenburg der experimentelle Nachweis. Danach wurde lange gerätselt, ob der Effekt zur Verstärkung des Lichtfeldes benutzt werden könnte, 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, 1954 realisiert im Maser von Charles H. Townes, der Mikrowellenstrahlung aussendet. Der erste Laser – ein Rubinlaser – wurde von Theodore Maiman am 16. Mai 1960 fertiggestellt.[1] [2]

Die weitere Entwicklung führte dann zunächst zu Gaslasern (Stickstoff-, CO2-Laser, He-Ne-Laser[3]) 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-Saphir-Laser läuteten in den 1980er Jahren die Ära der Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von Piko- und Femtosekunden ein.

In den späten 1980er Jahren 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 1990er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechniken 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 21. Jahrhunderts wurden erstmals nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen. Damit ließen sich zeitliche Abläufe im Inneren eines Atoms verfolgen. Zuletzt erreichten blaue und ultraviolette Laserdioden die Marktreife.

Inzwischen ist der Laser zu einem bedeutenden Instrument der Industrie, Kommunikation, Wissenschaft und Unterhaltungselektronik geworden.

Physikalische Grundlagen

Für die Funktion des Lasers sind die drei grundlegenden Prozesse der Wechselwirkung von Licht mit Materie bestimmend: Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission.

Zum Beispiel kann ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben werden.

Allerdings werden die Photonen auch wieder absorbiert. Damit das Licht insgesamt verstärkt wird, muss man dafür sorgen, dass der höhere Energiezustand EM stärker besetzt ist als der untere EL, weil dann Emissionen häufiger sind als Absorptionen. Da dies im thermischen Gleichgewicht nicht der Fall ist, spricht man von Besetzungsinversion. Um diese zu erreichen, kann man Licht einstrahlen („Optisches Pumpen“). Der nahe liegende Ansatz, Photonen der Energiedifferenz EMEL einzustrahlen, schlägt aber fehl, weil so auch direkt eine Emission stimuliert würde und die Wahrscheinlichkeiten von Emission und Absorption in einem Zweiniveausystem gleich sind. Stattdessen verwendet man ein Dreiniveausystem, bei dem zunächst auf ein drittes, höher gelegenes Energieniveau EP gepumpt wird. Von dort erfolgt ein Übergang per spontaner Emission auf das Niveau EM. Der Trick besteht nun darin, die Energieniveaus so zu wählen, dass ein spontaner Übergang von EP zu EM sehr viel schneller erfolgt (das heißt, sehr viel wahrscheinlicher ist), als ein Übergang von EM auf EL und der direkte Übergang von EP nach EL sehr unwahrscheinlich ist. In diesem Falle wird durch das Pumpen die Zahl der Teilchen im Zustand EM stetig erhöht. Dank anderer Pumpmechanismen gibt es aber auch Zweiniveaulaser im kontinuierlichen Betrieb, etwa elektrisch gepumpte Diodenlaser.

Technische Umsetzung

In einem Laser wird das Licht, das durch spontane Emission erzeugt wurde, durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet, in dem Besetzungsinversion herrscht (das sog. aktive Medium, z. B. ein Nd:YAG-Kristall oder eine Kohlenstoffdioxid-Gasentladung), geleitet. Eine solche Anordnung nennt man optischen Resonator (lat. resonare = zurückklingen, hallen). Im Resonator wird das Licht beim Hin- und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln durch stimulierte Emission 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 über 15 %, je nach Verstärkung) durchlässig, um Licht aus dem Laser auskoppeln zu können. Die Feldstärke innerhalb des Resonators ist dadurch viel höher als im ausgekoppelten Strahl.

Lasermedien mit sehr hoher Verstärkung können auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel lasern (so genannte Superstrahler, z. B. beim 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, die 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 (Stromfluss) 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 Gauß-Strahlen beschrieben werden.

Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. zu manipulieren (Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase, Zeit).

Kohärenz

Hauptartikel: Kohärenz (Physik)

Bei einer normalen 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 gleichzeitig ab. Die Wellen sind also über mehr oder weniger lange Strecken fast phasengleich, was man sich auch in der Holografie zunutze macht. Man sagt diese Wellen haben eine große Kohärenzlänge.

Polarisation

Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (schräge Umlenkspiegel und Flächen (Brewster-Fenster), geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meistens linear. Oft ist das erwünscht, um polarisationsabhängige Kopplung und Strahlteilung durchführen zu können. Beim Schneiden von Metallen tritt jedoch insbesondere bei der linear polarisierten CO2-Laserstrahlung im Schnittspalt eine polarisationsabhängige Absorption auf, was eine schlechte und richtungsabhängige Schnittkantenqualität zur Folge hat. Daher wird beim Metallschneiden mit zirkularer Polarisation gearbeitet, die durch phasendrehende Spiegel im Strahlengang des Laserstrahles erzielt wird.

Frequenz, Wellenlänge

Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das aktive Medium bestimmt. Es gibt Stoffe, die auf vielen Wellenlängen zum Lasen angeregt werden können – jedoch meistens bei einer Wellenlänge besonders gut. Daher sind Laser sehr schmalbandige Strahlungsquellen. Extreme Schmalbandigkeit ist z. B. bei der interferometrischen Längenmessung mittels Lasern von Bedeutung. Bei extremer Breitbandigkeit spricht man von Superkontinuum-Lasern, welche z. B. in der optischen Kohärenztomographie und zur Erzeugung von Frequenzkämmen eingesetzt werden.

Dauerstrich

Laserlicht von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave laser, cw-laser) ist im Idealfall schmalbandig (monochrom, einfarbig), das heißt, es besteht nur aus Licht 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 (die Kohärenzlänge) konstant sind. Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgeprägte Interferenzerscheinungen. Während des Einschwingvorgangs des Dauerstrich-Lasers tritt zunächst oft Spiking, das heißt eine unregelmäßige Abgabe von Laserpulsen, auf. Dieses Verhalten nutzt ein modengekoppelter Laser gezielt aus, indem er die Spikes z. B. triggert oder synchronisiert.

Pulse

Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein gepulster Laser pulsierende Strahlung. Dazu benötigt er prinzipiell eine größere Frequenzbandbreite bei der die beteiligten Frequenzen gekoppelt sind (Modenkopplung). Je kürzer die Pulsdauer, desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fourier-Transformation das erzeugte Spektrum. Die geringsten erzielbaren Pulsdauern liegen in der Größenordnung von Femto- und Attosekunden (→ 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 im Laser erzeugt werden, hängt u. a. bei der instantanen Kerr-Linsen-Modenkopplung (engl. „Kerr lens mode locking“, ein Verfahren zur Erzeugung stabiler Pulse, also einer Folge von Pulsen geringer Dauer) von der Resonatorlänge ab: Bei einem Resonator mit einer Länge von einem halben Meter beträgt diese etwa 300 MHz – die Periodendauer entspricht einem Hin- und Herlaufen (Umlauf) des Pulses im Resonator. Die Spitzenleistung wird bei jedem Umlauf größer, die Pulsdauer bleibt von allein sehr gering. Aus solchen Pulslasern werden dann einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstärkt. Mit einigen weiteren Tricks gelingt es damit, Spitzenleistungen bis in den Petawatt-Bereich zu erzeugen, die nur noch im Vakuum übertragen und fokussiert werden können.

Die Gütemodulation (Q-switching) des Resonators mit akustooptischen Güteschaltern oder Pockelszellen sind weitere Techniken zur Erzeugung energiereicher Laserpulse mit geringer Dauer.

Lasertypen

Laser werden meistens nach dem eingesetzten optisch aktiven Material kategorisiert und benannt.

Gaslaser

Bei Gaslasern ist das aktive Medium gasförmig. Zumeist werden Gaslaser elektrisch durch eine Gasentladung im aktiven Medium selbst gepumpt. Beispiele:

Eine Sonderform sind die chemisch gepumpten Laser. Hier erfolgt das Pumpen durch eine chemische Reaktion im bzw. des aktiven Mediums. Das Gas ist nach der Reaktion verbraucht und kann dementsprechend nur einmal verwendet werden. Chemische Laser sind für transportable Hochleistungsanwendungen geeignet, sie haben fast ausschließlich im militärischen Bereich Bedeutung. Beispiele:

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 geringen 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 Lasertyp; Maiman entwickelte im Jahre 1960 den Rubinlaser.

Bei Festkörperlasern wird ein Trägerwerkstoff bzw. Wirtskristall mit Ionen eines fremden Stoffes dotiert. Diese Ionen bilden, eingebettet im Wirtsmaterial, das eigentliche aktive Medium. Die Laserübergänge der Ionen sind innerhalb des d-Orbitals. Diese Orbitale sind nicht an chemischen Bindungen beteiligt. Das Trägermaterial (Wirtskristall, Glas) nimmt daher nur geringen Einfluss auf die Eigenschaften der Ionen.

Festkörperlaser werden nach der Art und Form des Wirtsmaterials und den Dotierungselementen unterschieden. Beispiele für Wirts- bzw. Trägermaterialien:

Beispiele für Dotierungsmaterialien:

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:

Farbzentrenlaser erzeugen nur geringe Leistungen von typ. unter 100 mW.

Halbleiterlaser

Beim Halbleiterlaser werden stromdurchflossene pn-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 × 1 × 10 mm) nebeneinander integriert sein. Diese sogenannten Barren (engl. bar) liefern, auf eine Wärmesenke montiert, bis über 50 Watt (Barren mit über hundert Watt kontinuierlicher Ausgangsleistung sind in der Erprobung, Stand Januar 2007). Die Einzeldioden sind dabei elektrisch parallel geschaltet. Den montierten Barren nennt man auch „submount“.

Durch Kopplung vieler, in einem sogenannten stack (Stapel) untergebrachter Barren bzw. submounts werden Leistungen im kW-Bereich bei entsprechend schlechter Strahlqualität erreicht (M² > 100).

Bis zu sechs Stapel kann man durch verschiedene Wellenlängen (üblich bis drei) 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, daher ist hierbei keine Wellenlängenkopplung möglich. Die Diodenlaser müssen jedoch hierzu ohnehin nicht zu Strahlen mit hoher Leistungsdichte zusammengefasst werden.

Weitere Halbleiterlaser sind:

Freie-Elektronen-Laser (FEL)

→ Hauptartikel Freie-Elektronen-Laser

Der Freie-Elektronen-Laser ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die gerichtete Strahlung (verschiedenste Wellenlängen von Mikrowellen bis in den Röntgenbereich, sehr hohe Brillanz) aus der Energie eines Elektronenstrahles erzeugt. Aufgrund der Kohärenz (meistens nur örtliche Kohärenz) der Strahlung wird der FEL als Laser bezeichnet. Im eigentlichen Sinne ist er jedoch kein Laser, da die Strahlung nicht durch stimulierte Emission erzeugt wird.

Freie-Elektronen-Laser besitzen außer im IR-Bereich oft keinen Resonator.

Laser-Resonatoren

Laserresonatoren werden bei Lasergeräten verwendet, um den Strahl mehrfach hin und her durch das verstärkende aktive Medium laufen zu lassen und so eine ausreichende Verstärkung zur Selbsterregung zu erreichen. Aktive gepumpte Medien ohne Resonator können als Lichtverstärker dienen; bei sehr hoher Verstärkung pro Länge tritt jedoch auch hier spontan Laserstrahlung auf (sog. Superstrahler, z. B. der Stickstofflaser).

Ein Laser-Resonator besteht prinzipiell aus zwei Spiegeln, zwischen denen die Strahlung reflektiert wird, so dass sich der Weg durch das Lasermedium verlängert. Dadurch kann ein Photon sehr oft stimulierte Emission hervorrufen. Im Resonator werden nur bestimmte Frequenzen verstärkt, die die Resonanzbedingung erfüllen, für die also gilt:

Dabei ist q eine natürliche Zahl und L die Resonatorlänge.

Alle anderen Frequenzen werden durch destruktive Interferenz ausgelöscht.

Die Güte des Resonators (d. h. das Verhältnis zwischen hin- und herreflektierter Strahlung zu austretender Strahlung) muss bei gering verstärkenden Medien besonders hoch sein. Ein Beispiel hierfür ist der Helium-Neon-Laser. Die Resonatorgüte kann oft mittels in ihm befindlicher optischer Komponenten zeitabhängig, aber auch hinsichtlich der Wellenlänge und des lateralen Strahlprofiles beeinflusst werden, um eine gute Strahlqualität, Frequenzkonstanz und Kohärenz sowie Pulsformung des Laserstrahls zu erzielen. Solche Komponenten sind z. B. Blenden, optische Schalter (→ Güteschalter) oder frequenzselektive Endspiegel (→ DFB-Laser, dichroitischer Spiegel). So kann z. B. beim Argonlaser durch Wahl des dichroitischen Endspiegels das Anschwingen nur einer der mehreren möglichen Laser-Emissionswellenlängen erreicht werden.

Resonatortypen

Bei den Resonatoren unterscheidet man grundsätzlich zwei verschiedene Arten, die unterschiedliche Vor- und Nachteile besitzen.

Stabile Resonatoren

Ein Resonator heißt optisch stabil, wenn ein paraxialer Strahl selbst nach beliebig vielen Reflexionen den Resonator nicht verlässt. Vorteil: gute Strahlqualität durch geringe Beugungen innerhalb des Resonators. Nachteil: schlechte Ausnutzung des Lasermediums.

Besteht der Resonator der Länge L aus zwei gekrümmten Spiegeln mit dem Krümmungsradius ri des i-ten Spiegels, so ist dieser stabil, wenn gilt

, wobei und

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 r1 = r2 = L. Das Ergebnis der obigen Bedingung ist also Null (Grenzstabilität).

Instabile Resonatoren

Vorteile: Gute Ausnutzung des Lasermediums, höhere Effizienz, gleichmäßigere thermische Belastung des Lasermediums und der Resonatorspiegel. Nachteil: schlechtere Strahlqualität.

Daher werden sie meistens in Lasern verwendet, die eine hohe Verstärkung pro Resonatorumlauf besitzen und bei denen vorrangig hohe Ausgangsleistung und weniger die Strahlqualität maßgebend sind.

Longitudinale Moden

Unterschiedliche Schwingungen werden „Moden“ oder auch Schwingungsmoden genannt. Longitudinal bezeichnet die Ausbreitungsrichtung der Schwingung, die in diesem Fall der Richtung des Strahls entspricht. Bildlich ausgedrückt handelt es sich dabei um Intensitätsberge und -täler im Abstand einer halben Wellenlänge. Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte Wellenlängen und deren Vielfache besonders verstärkt. Das Bild zeigt die Intensitätsverteilung rund um den Grundmode (angegeben als mittlere Intensität in Abhängigkeit von der Frequenz ν0).

Genauer gesagt, gilt für die möglichen Lichtfrequenzen in einem Laserresonator der Zusammenhang:

,

ν(N) ist dabei die zulässige Frequenz des N-ten Mode, c die Lichtgeschwindigkeit und L die Resonatorlänge (Abstand zwischen den Resonatorspiegeln).

Durch gaußförmige Dopplerverbreiterung der an sich scharfen Emissionslinie entsteht die gaußförmige Einhüllende. Auf Grund obiger Resonatoreigenschaft (und der wieder anschließenden Dopplerverbreiterung) werden mehrere Teillinien der Emissionslinie des aktiven Mediums im Resonator verstärkt. Die einzelnen im Resonator verstärkten Teillinien haben ein Lorentz-Profil mit sehr geringen Linienbreiten wegen der großen Länge der Wellenzüge im Resonator und da bei der Resonanz Störeffekte wie der Doppler-Effekt in den Hintergrund treten. Somit erhält man nebenstehendes Spektrum mit mehreren Lorentz-Kurven (den sogenannten Lasermoden) mit einer gaußförmigen Einhüllenden. Da jedoch eine Mindestintensität nötig ist, damit im Resonator noch eine Verstärkung stattfinden kann, erhält man nur eine begrenzte Anzahl Moden, da Moden, die zu weit vom Linienschwerpunkt entfernt sind, zu wenig intensiv sind um noch verstärkt zu werden.

Der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden ist:

In vielen Anwendungen sind mehrere longitudinale Moden unerwünscht. Eine Verkürzung der Resonatorlänge, um nur einen Mode zu erzeugen, macht aber meist keinen Sinn, da dadurch nicht die gewünschte Lichtleistung erzielt werden kann. Man behilft sich indem im Resonator ein sogenanntes Etalon eingebracht wird. Das Etalon stellt im Prinzip einen „Resonator im Resonator“ dar, welcher nur Wellen des gewünschten Moden verstärkt, andere Moden aber unterdrückt. Man spricht in diesen Fall von Monomode- oder Singlemode-Lasern (im Gegensatz zu Multimode-Lasern).

Transversale Moden

Als transversale Moden bezeichnet man die Schwingungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bildet sich also ein Mode aus, der nicht den Raum senkrecht zu den Resonatorspiegeln ausfüllt, sondern etwas schräg verläuft, so wird der Licht- und Resonatorweg länger, und die Frequenz verschiebt sich etwas. Dieses führt einerseits zum Konkurrieren um angeregte Mediumsmoleküle zwischen den verschiedenen Frequenzen (Mode Competition), andererseits können sich so stehende Wellen ausbilden, die Knotenlinien innerhalb des Laserprofils aufweisen. Ob und wie sie in einem Laserstrahl vorkommen, lässt sich durch optische Bauelemente wie Polarisationsfilter oder diffraktive optische Elemente bestimmen.

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Im Querschnitt hat die Strahlintensität im Idealfall ein Gauß-Profil; dieser Mode wird als TEM00-Mode bezeichnet. Es können jedoch auch andere Transversalmoden angeregt werden, die ein anderes Profil zeigen; abhängig von der Anzahl ihrer Knotenlinien in horizontale und vertikale Richtung werden sie als TEMxy-Mode bezeichnet (→ Bild). Für diese Moden ist teilweise der Lichtweg durch den Resonator bis zum Ausgangspunkt anders, das heißt, die Resonatorlänge erscheint verändert. Dieses kann zu einer Verfälschung der Longitudinalmodenspektren führen, indem sich die Spektren verschiedener Transversalmoden überlagern.

Es kann sich auch ein Zustand einstellen, bei dem der Strahl zweimal durch den Resonator hin- und herlaufen muss, um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen. Dadurch wird die effektive Resonatorlänge verdoppelt, und die Modenabstände werden auf halbiert.

Anwendungen von Lasern

Materialbearbeitung

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

Steuerungstechnik

Medizin

Messtechnik

Eine Reihe von Messgeräten sind auf Laserbasis konstruiert:

Wissenschaft

Holografie

Datentechnik

Mikro-Fotolithografie

Mit Lasern können 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

Unterhaltung/Medien

Laser-Klassen

Lasergeräte werden entsprechend der schädlichen 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 1400 nm heraus.

Maßgeblich ist dabei bei nichtionisierender Strahlung die thermische Leistung pro Fläche sowie die spezifischen wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften des Gewebes (Haut sowie Retina, Hornhaut, Glaskörper und Linse des Auges). Durch die Fokussierung der Augenlinse ist die Gefährlichkeit im sichtbaren und besonders im angrenzenden infraroten Bereich erhöht. Im Bereich ab etwa 1,5 µm Wellenlänge wird das Auge zunehmend intransparent, die Absorption findet bereits vor der Netzhaut statt. Im mittleren Infrarot ist das Auge vollständig intransparent und sämtliche Leistung wird bereits auf der Hornhaut absorbiert. Die Haut und darunter liegendes Gewebe sind besonders im Bereich 1200 nm (Nahinfrarot) bis rot (700 nm) teiltransparent, sodass hier tiefreichende Schädigungen auftreten können, deren Entstehung aufgrund dort nicht vorhandenen Wärmeempfindens oft nicht bemerkt werden. Auch Netzhautschäden durch Laser-Strahlung im Nahinfrarot werden oft nicht bemerkt und erst durch für entsprechende Arbeitsplätze vorgesehene ärztliche Augenuntersuchungen entdeckt.

Bei Wellenlängen unterhalb von etwa 400 nm werden organische Molekülbindungen zerstört, die Absorptionstiefe in Gewebe verlagert sich mit kürzerer Wellenlänge an die Oberfläche von Haut und Auge. Es treten auch bei geringen thermischen Leistungsdichten Linsen- und Hornhauttrübungen sowie Schädigungen der Haut vergleichbar einem Sonnenbrand auf. Dementsprechend sind die Grenzwerte der Leistungsdichte bei diesen kurzen Wellenlängen geringer als beispielsweise im mittleren Infrarot.

Die Klasseneinteilung von Lasergeräten und -anlagen erfolgt anhand maximal auftretender Leistungs- bzw. Energiedichten, je nachdem, ob es sich um kontinuierliche oder Pulslaser handelt. Dabei ist auch die Expositionsdauer und die Wellenlänge maßgebend.

Klassifizierung nach EN 60825-1

Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDE 0837 (→ unten) darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden)

Klasse Beschreibung
1 Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich. (CD-Player; CD-/DVD-Brenner mit geschlossenem Gehäuse)
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) auch für das Auge ungefährlich. 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. Diffuses Streulicht ist in der Regel ungefährlich. (Laser von CD-/DVD-Brennern; Laserstrahlung allerdings nicht direkt zugänglich)
4 Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Beim Einsatz dieser Laserstrahlung besteht Brand- oder Explosionsgefahr.
*) Anmerkung zu Laserklasse 2 und 2M: Durch wissenschaftliche Untersuchungen[5] 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.

Klassifizierung nach DIN VDE 0837

Bis März 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDE 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebräuchlich.

Klasse Beschreibung
1 entspricht der Klasse 1 nach EN 60825-1
2 entspricht der Klasse 2 nach 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 dieses 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 meistens in Klasse 2M oder 3R eingestuft.
3b entspricht der Klasse 3B nach EN 60825-1

Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 2M oder 3R eingestuft.

4 entspricht der Klasse 4 nach EN 60825-1

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. F. K. Kneubühl, M. W. Sigrist: Laser. Teubner, 1991 3. Aufl. S. 4
  2. T. H. Maiman: Stimulated Optical Radiation in Ruby. In: Nature. 187 4736, 1960, pp. 493–494.
  3. A. Javan, W. R. Bennet, D. R. Herriot: Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture. In: Phys. Rev. Lett. 6, 106–110, 1961
  4. Liebscher, Jens. „Beidseitig gleichzeitiges Laserstrahlschweißen von großformatigen 3D-Luftfahrtstrukturen“, Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden, Dezember 2005. 
  5. Abwendungsreaktionen des Menschen gegenüber sichtbarer Laserstrahlung, Veröffentlichung zu einem Forschungsprojekt der FH Köln

Literatur