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Was ist ein Laser???

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``Laser´´Ein Wort, das sich bei uns so eingebürgert hat, dass kaum jemand noch daran denkt, dass es sich um eine Abkürzung handelt. Laser steht für: "Light Amplifikation by the Stimulated Emission of Radiation" und heißt auf deutsch: "Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung".

Der Laser ist eine Lichtquelle, die einen enggebündelten Strahl aussendet. Der Lichtstrahl hat, anders als bei herkömmlichem Licht, eine bestimmte Wellenlänge, und seine gleichförmigen Wellen laufen parallel und im Gleichschritt. Laser gibt es in einer ungeheuren Vielfalt. Ihre Wellenlänge reicht vom infraroten bis zum ultravioletten Bereich und ihre Stärke variiert von Bruchteilen eines Milliwatts bis zu über einem Gigawatt.

1. Laserlicht
Im Gegensatz zur spontanen Emission bei normalem Licht, wird ein Laserstrahl durch stimulierte Emission erreicht. Die in gleicher Richtung ausfallenden Photonen werden zwischen zwei Spiegeln, dem sogenannten Resonator hin und her geworfen, wodurch im laseraktiven Stoff eine stehende Lichtwelle aufgebaut wird. Einer der beiden Spiegel ist im Zentrum halbdurchlässig. Durch ihn verlassen die senkrecht auftreffenden Photonen den Resonator als gleichwelliges, paralleles Laserlicht. Photonen, die die Außenwand treffen werden als Wärme abgegeben.

Spontane Emission
Wird einem Atom durch einen äußeren Einfluss (Energiezufuhr) ein Photon zugeführt, springt ein Elektron auf eine höhere Umlaufbahn. Durch die Anziehungskraft des Atomkerns angezogen wechselt es jedoch in Bruchteilen von Sekunden wieder in den alten Zustand. Dabei wird die freiwerdende Energie in Form eines Lichtblitzes (Photon) abgegeben. Dies geschieht im allgemeinen spontan, nicht vorhersehbar und in eine beliebige Richtung

Stimulierte Emission
Im Gegensatz zur spontanen Emission wird hier die Abgabe von Photonen bewusst herbeigeführt. Angeregte Atome werden durch ein weiteres einfallendes Photon zur Energieabgabe gezwungen. Die abgegebenen Photonen verlassen das Atom in die gleiche Richtung wie das einfallende. Dieser Effekt tritt nur ein, wenn sich die Mehrzahl der Atome des laseraktiven Stoffes in einem höheren Energieniveau (Inversion) befinden.

Inversion
Inversion bedeutet, dass sich der Großteil der Atome eines Stoffes in angeregtem Zustand befindet. Der laseraktive Stoff muss mit Energie vollgepumpt werden. Dafür sind zwei Möglichkeiten üblich.
1. Erzeugung der Inversion durch Elektronenstoß
Eine Möglichkeit dem System Energie zuzuführen ist durch Stromzufuhr den Elektronenstoß in einer Gasladung zu begeben. Dadurch bleibt die Anwendung dieses Verfahrens auf eine Systemart beschränkt, nämlich auf Gase. Diese Pumpmethode ist charakteristisch für die Gruppe der Gaslaser.
2. Erzeugung der Inversion durch optisches Pumpen
Bei Festkörpern und Flüssigkeiten ist es nicht möglich, die erforderliche Energie durch Elektronenstoß zuzuführen. Hier muss die Pumpenergie in Form von Licht zugeführt werden. Durch intensive Lichtquellen (Blitzlampen oder andere Laser), wird der laseraktive Stoff in ein höheres Energieniveau versetzt und beginnt zu lasern.

Bohrsches Atommodell
Ein Atom eines Stoffes besteht aus einem Atomkern, in dem sich positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen befinden. Um diesen Kern bewegen sich negativgeladene Elektronen auf verschiedenen Bahnen. Diese wiederum bestehen aus den sogenannten Photonen oder Lichtquanten

2. Lasertypen
Neben verschiedenen anderen Eigenschaften wie Leistung oder Wellenlänge, werden die unterschiedlichen Lasertypen hauptsächlich nach dem Aggregatzustand des laseraktiven Stoffes klassifiziert, wobei diese Gruppen wiederum nach verschiedenen Kriterien in Untergruppen eingeteilt werden können.

2.1 Festkörperlaser
Im Einsatz sind hauptsächlich Rubin, NdYAG (Neodym in Yttrium-Aluminium-Granat eingebaut) und NdGlaslaser (Neodym in Yttrium-Aluminium-Glas) eingebaut, die rote und infrarote Strahlung emittieren. Die hohe Verstärkung des Materials erlaubt im Pulsbetrieb sehr hohe Ausgangsleistung. Dement sprechend werden Festkörperlaser in erster Linie dort eingesetzt, wo es um energiereiche Impulse geht, wodurch sich ein breites Anwendungsfeld ergibt: Biochemie und Biophysik, Spektroskopie und Fluoreszenzuntersuchungen, nicht-Kurzzeitphysik sowie in der Medizin und Augenoptik.

2.2 Atomlaser
Diese Untergruppe der Gaslaser konnte sich auf dem Markt nicht durchsetzen, da die anderen Gaslaser wesentlich besser arbeiten. Atomlaser nutzen den Elektronenübergang zwischen zwei Laserniveaus eines neutralen Atoms. Geeignete Elemente sind He, Ne, Ar, Kr, Xe, H, C, Si, Sn, Pb, N, P, O, S, F, Cl, Br und J, wobei die Edelgase bevorzugt werden.

2.3 Ionenlaser
Ionenlaser gehören zur Gruppe der Gaslaser. Sie arbeiten mit den Laserniveaus einfach oder mehrfach ionisierter Elemente. Da manche Stoffe sowohl im Grundzustand als auch nach Abtrennung von Elektronen lasern können, finden sich in dieser Gruppe auch Elemente, die in Atomlasern Anwendung finden. Metalle müssen über eine Heizung in Dampfform gebracht werden. Bevorzugt werden die Edelgase Ar, Kr und Xe sowie das Metall Cadmium verwendet. Edelgasionenlaser sind Standardgeräte für sichtbare kontinuierliche Strahlung mit höherer Leistung. Sie finden vor allem in der Medizin und Augenheilkunde Anwendung. Mit ihnen werden Video- und Audiodisks sowie Holographien hergestellt. Metalldampfionenlaser werden im Bereich der Information und Messtechnik eingesetzt.

2.4 Moleküllaser
Moleküllaser unterscheiden sich im laseraktiven Material von anderen Gaslasern. Bei ihnen sind es nicht die Elektronen, die bei Bahnübergängen Lichtquanten aussenden, sondern energetisch unterschiedliche Schwingungs- und Rotationsformen der Moleküle bilden das Laserniveau. Das gleiche gilt auch für Excimerlaser, bei denen Moleküle die keinen stabilen Grundzustand besitzen (sog. Excimere) bei ihrem Zerfall Energie freigeben. Moleküllaser werden selten gepulst betrieben, da sie im Dauerbetrieb sehr hohe Leistungen erreichen können. Vor allem die im Infrarot emittierenden Kohlendioxyd-Laser werden auf Grund ihrer Leistung in der Werkstoffbearbeitung eingesetzt. Der schwächere Helium-Neon-Laser wird bei Holographie, Landvermessung, beim Nivellieren und bei Lichtschranken genutzt.

2.5 Flüssigkeitslaser
Bei Flüssigkeitslasern werden zwei Gruppen aktiver Materialien verwendet. Seltene Erden, wie Europium, Samarium und Terbium, haben in Alkohol gelöst ähnliche Eigenschaften wie Kristalle in Festkörperlaser. Die schwierige Kristallzüchtung fällt weg, so dass längere, stärkere Anlagen gebaut werden können. Trotz dieses Vorteils hat sich diese Gruppe auf dem Markt nicht durchgesetzt. Häufig eingesetzt wird die Gruppe der Farbstoff- oder Dye-Laser. Farbstoffe wie Rhodamin, Nilblau, Cresylviolett und Cyanin werden in Alkohol oder Wasser gelöst. Derzeit werden über 40 Stoffe eingesetzt, von denen jeder für eine andere Laserfrequenz, Pumpfrequenz oder Einsatzbedingung geeignet ist. Farbstofflaser emittieren von Natur aus über 10nm breite Linien. Über äußere Bauelemente (Prisma usw.) läßt er sich besonders gut abstimmen. Dadurch ist er äußerst interessant im Bereich Forschung, Analyse und Farbmesstechnik. Je nach Farbstoff erreicht man eine Wellenlänge von 300nm bis 1000nm und im Pulsbetrieb eine max. Leistung von bis zu 40W.

2.6 Halbleiterlaser
Dioden- oder Halbleiterlaser, die sich nur wenig in Größe und Handhabung von normalen Leuchtdioden unterscheiden, werden als kompakte Komponenten in den Handel gebracht. Lediglich die Kühlung ist etwas aufwendiger. Wichtigster Diodenlaser ist der Galliumarsenid-Laser (GaAS). Halbleiterlaser werden im Dauer und Impulsbetrieb eingesetzt. Vor allem schnelle Diodenlaser kleiner und mittlerer Leistung werden für die digitale Nachrichtenübermittlung eingesetzt. Wegen ihrer Größe finden sie aber auch Einsatz im Bereich der Gebrauchsgüter (Laserdrucker, CD-Player usw.). Leistungslaserdioden sind für die Entfernung über einige hundert Meter, für Lichtschranken großer Reichweite und schnelle optische Schalter geeignet

Funktionsweise Festkörperlaser
Festkörperlaser waren die ersten Laser (Rubin-Laser 1960). Zur Verwendung kommen verschiedene Feststoffe aus Kristall und Glas. Der laseraktive Stoff wird durch optisches Pumpen angeregt. Der Feststoffstab ist an seinen Enden mit Resonatorspiegeln versehen. Stab und Pumplampe sind mit einem ellipsenförmigen Reflektorspiegel umgeben, damit möglichst viel Licht auf den laseraktiven Stoff trifft. Festkörperlaser werden hauptsächlich im Impulsbetrieb betrieben.

Funktionsweise Gaslaser
Der laseraktive Stoff besteht aus Gas bzw. Gasmischungen. Das Gas befindet sich in einer Röhre (Entladungsrohr). Dieses ist an beiden Enden mit den Brewster-Fenstern luftdicht abgeschlossen. Außerhalb des Entladungsrohrs befinden sich die beiden Resonatorsiegel. Durch direkte Stromzufuhr kommt es zur Emission. Gaslaser die kontinuierlich oder gepulst betrieben werden, können sehr hohe Leistungen erzeugen, müssen aber im Regelfall auf Grund der starken Wärmeentwicklung gekühlt werden. Man unterteilt Gaslaser in Atom-, Ionen- und Moleküllaser

Funktionsweise Flüssigkeitslaser
Flüssigkeiten als laseraktiver Stoff befinden sich in einer Küvette, die beiderseitig mit Resonatorspiegeln abgeschlossen ist. Mittels einer Pumplampe (optisches Pumpen) wird das Medium aktiviert. Gebräuchlichste Flüssigkeitslaser sind Farbstofflaser. Farbstoffe, in wässriger oder organischer Lösung als laseraktiver Stoff lassen eine optimale Abstimmung des Lasers zu. Sie können zudem kontinuierlich oder gepulst betrieben werden.

Funktionsweise Halbleiterlaser
Halbleiterlaser sind die kleinsten, zwischenzeitlich gebräuchlichsten Laser. Beim Halbleiterlaser wird die Eigenschaft des Atomgitters Elektronen freizugeben genützt. Sogenannte n-Halbleiter verfügen über mehr Elektronen (-), p-Halbleiter über mehr Defektelektronen (+). Verstärkt man an einem p-n Halbleiter an jeder Seite die Spannung, so werden Elektronen vom p-Bereich in den n-Bereich eingespritzt. In der Übergangszone entsteht Licht. Die kontinuierlich betriebenen Halbleiterlaser lassen sich durch die direkte Stromzufuhr exakt steuern die Lichtqualität ist jedoch schlechter.

3. Sicherheitsvorschriften
Die außerordentliche Energiestromdichte, die den Laser für viele Anwendungen interessant macht, birgt auch Gefahren für den Menschen in sich. Bereits bei Lasern mit relativ geringer Leistung sind bei unsachgemäßer Handhabung die Augen gefährdet. Laser mit hoher Leistung können darüber hinaus zu ernsthaften Verbrennungen und Schnittwunden führen. Die schädigende Wirkung des Laserlichts hängt von der Leistung und der Wellenlänge ab. Einzelheiten über Schutzmaßnahmen sind in Normblättern und Unfallverhütungsvorschriften festgelegt. Darüber hinaus müssen Laseranlagen nach ihrer Installation vom TÜV geprüft werden. Laser der oberen Leistungsklassen dürfen nur von geschulten Personen (Laserschutzbeauftragte) betrieben werden und müssen ständig von diesen auf ihre Sicherheit überprüft werden. Die unterschiedlichen Laser sind nach Leistung und Wellenlänge in verschiedene Klassen eingeteilt. Alle Laser und Geräte mit Lasern müssen mit einem genormten Warnschild gekennzeichnet sein.

Laserklassen
Die verschiedenen Laser wurden vom Gesetzgeber nach ihrer Leistung in vier Klassen eingeteilt. für Laser der Klasse 3 und 4 sind Schlüsselschalter vorgeschrieben.

Klasse 1

  • · Laser der Klasse 1 können unabhängig von Betriebsart, Expositionszeit und Wellenlänge zu keinerlei Gesundheitsschäden führen. Dauerstrichlaser im sichtbaren Bereich mit einer Leistung unter 0,0004 mW erfüllen diese Forderung.

  • Klasse 2
  • · Die Dauerstrichleistung der Klasse 2 liegt im Bereich 400 nm und 700 nm
  • Klasse 3a
  • · Laser, die im Bereich von 400 bis 700 nm Dauerstrichleistung unter 75 mW aussenden. Die Bestrahlungsstärke an irgendeiner Stelle muss kleiner als 25 W/m² sein.
  • Klasse 3b
  • · Die Dauerstrichleistung ist auf 0,5 W begrenzt.
  • Klasse 4
  • · Hochleistungsgeräte
  • Warnschilder
    Laser und der Laserbereich müssen in der Bundesrepublik Deutschland mit einem genormten Warnschild gekennzeichnet sein. Zusätzlich wird oft noch vom Hersteller die jeweilige Laser-Klasse angegeben. Darüber hinaus sind an fast allen Lasern noch weitere anerkannte internationale Warnschilder angebracht.

     

 

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