Laser

Atomphysik

Laser

  • Wie funktioniert ein Laser?
  • Was macht einen Laser so besonders?
  • Wo wendet man Laser an?

Laser-Typen

Eine generelle Unterscheidung: Puls- und Dauerstrichlaser

Aus dem Alltag kennen wir meist nur die sogenannten Dauerstrichlaser. Diese leuchten kontinuierlich und haben eine verhältnismäßig geringe Ausgangsleistung.

In der Forschung und der Industrie werden aber auch Pulslaser verwendet. Bei Pulslasern wird die über eine verhältnismäßig lange Zeit in das Medium gepumpte Energie sehr schnell in Form von Laserpulsen abgegeben. Danach muss das Medium durch die Pumpe wieder mit Energie aufgeladen werden, damit der nächste kurze Laserpuls entstehen kann.

Diese in sehr kurzen Lichtpulsen konzentrierte Energie kann z.B. zum Schneiden von Stahlplatten genutzt werden. Andere Pulslaser können noch viel kürzere Lichtblitze erzeugen, mit denen Forscher u.a. die Prozesse in Atomen und Molekülen in winzigen Zeiträumen untersuchen können. Mehr hierzu erfahrt ihr beim Abschnitt zum Freie-Elektronen-Laser.

Nach dieser generellen Unterscheidung kommen wir nun zur Beschreibung der einzelnen Laser-Typen und beginnen mit dem Festkörper-Laser.

Der Festkörper-Laser

„Festkörper“ bedeutet, dass sich das Lasermedium im festen Aggregatzustand befindet. Dieser Festkörper besteht aus Kristall oder Glas und hat meist die Form eines kleinen Quaders, einer Scheibe oder eines Zylinders.

Im Wesentlichen bestehen sie aus zwei Arten von Teilchen: Dem Wirtskristall und einer sehr kleinen Menge von eingelagerten laseraktiven Atomen. Man bezeichnet diese Einlagerung auch als Dotierung.

Diese laseraktiven Atome sind zum Beispiel Chrom, Titan, Neodym oder Ytterbium. In ihnen entsteht durch die stimulierte Emission das Laserlicht. Die Farbe und Leistungsfähigkeit des Laserlichtes bzw. des Lasers ist wesentlich von der Wahl dieser Fremdatome abhängig.

Als Wirtskristall wird häufig Saphir, Alexandrit, Korund, Aluminium-Granat und Vanadat verwendet. Ihre Funktion ist primär das Aufbewahren der oben genannten laseraktiven Atome. Beim eigentlichen Laser-Prozess fällt ihnen keine Bedeutung zu.

Energie wird in Festkörper-Lasern immer in Form von Licht in das Medium gepumpt. Um dies möglichst energieeffizient zu tun, verwendet man zum Pumpen oft Laserdioden, da diese verhältnismäßig energiesparend arbeiten. Dadurch lassen sich gezielt bestimmte energetische Übergänge im Atom anregen.

Aufbau eines Festkörper-Lasers

Grafik: Bastian Osterloh / CC-BY-NC-SA 4.0 International Lizenz

Das Foto zeigt einen Festkörper-Laser (1), der mit einem Dioden-Laser (2) gepumpt wird.

Die beiden Spiegel (3) leiten den blauen Pump-Laserstrahl durch eine Linse (4) in das laseraktive Medium des Festkörper-Lasers (der kleine Quader 5), der dadurch mit Energie versorgt wird.

Die linke Seitenfläche des Quaders (6) ist verspiegelt und fungiert als einer der Spiegel des Resonators.

Ein teildurchlässiger Spiegel (7) wirft den großen Teil des roten Laserlichtes wieder in das Medium zurück, damit das Licht stimulierte Emissionen auslösen kann und es dadurch verstärkt wird.

Ein kleiner Teil des Lichtes wird nicht reflektiert und tritt durch den Spiegel aus dem Laser aus. Dieser Teil ist nicht mehr so hell und kann auf dem Foto nicht direkt gesehen werden. Aber auf der Scheibe (8) und dem Bildschirm (9) ist der Laserpunkt des roten Festkörper-Lasers deutlich sichtbar.

In diesem Festkörperlaser wird ein Pr:YLF Kristall (Praseodym als Laserion dotiert in Yttrium-Lithium-Fluorid) als laseraktives Medium verwendet.

Aber warum sollte man einen Laser mit einem anderen Laser pumpen? Das klingt im ersten Moment widersinnig. Der Grund ist, dass das Licht aus einem Festkörper-Laser andere Eigenschaften und Qualitäten hat, als das Licht, das aus Laserdioden gewonnen werden kann. Je nach Typ ist die Monochromie, Kohärenz und Parallelität deutlich besser ausgeprägt als bei dem im Folgenden beschriebenen Dioden-Laser.

Der Dioden-Laser

Eine Laserdiode für grünes Laserlicht, Bild: Osram

Das Foto zeigt eine Laserdiode für grünes Licht. In einer solchen Laserdiode ist das Lasermedium (der strahlende, grüne Quader) kürzer als ein Millimeter und der Wirkungsgrad dieses Lasers ist besser als bei allen anderen Laser-Typen. Mit dem Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der zugeführten Energie und der in Form von Laserlicht herauskommenden Energie gemeint. Natürlich kann nie mehr Energie aus der Laserdiode herauskommen als zugefügt wird. Aber bei z.B. rotem Laserlicht werden bis zu 70 % der elektrischen Energie in Lichtenergie umgewandelt. Der Rest wird zu Wärmeenergie und erhitzt die Laserdiode.

Die Funktionsweise der Laserdiode basiert auf der Leuchtdiode. Der Unterschied ist, dass die Rekombination zwischen den p- und n-dotierten Bereichen auch durch die stimulierte Emission ausgelöst werden kann. Das führt zur oben beschriebenen Entstehung von identischen Photonen, die in einem Resonator weiter verstärkt werden und über eine teildurchlässige Spiegelfläche den winzigen Kristall verlassen.

In den meisten Anwendungsgebieten des Alltags werden mittlerweile Dioden-Laser eingesetzt: Z.B. in Blue-ray-Playern, Laser-Pointern und Produktscannern im Supermarkt. Auch jetzt gerade profitieren wir von dem Einsatz der Laserdioden in Computernetzwerken, da die schnelle Kommunikation der Computer an Internet-Knotenpunkten erst durch sie ermöglicht wird.

Leider ist die Laserdiode nicht für alle Anwendungen geeignet. Benötigt man eine besondere Lichtfarbe oder Laserstahlen, die sich auch über größere Distanzen nur wenig aufweiten, muss man einen anderen Laser wählen.

Aber ein großer Vorteil der Dioden-Laser ist, dass man die einzelnen Laserdioden zu kompakten Blöcken zusammensetzen kann. Die nutzt man anschließend, um andere Laser gezielt zu pumpen. So kommen die sehr effizienten Laserdioden auch indirekt in vielen anderen Laser-Typen zum Einsatz. Im Abschnitt zum Festkörper-Laser wurde ein Beispiel hierfür gezeigt.

Der Gas-Laser

Ein CO2-Laser zer­schnei­det ein Blech, Bild: Bystronic

Auch Gase eignen sich als Lasermedium. Der bereits beschriebene Helium-Neon-Laser ist ein typischer Gas-Laser. Prinzipiell sind alle Gase laserfähig, wenn ein Weg gefunden wird, die Atome oder Moleküle im Gas anzuregen.

Als weiteres Beispiel sei der Kohlendioxid-Laser genannt: Beim CO 2-Laser wird auch eine elektrische Entladung zur Anregung der Moleküle genutzt, aber im Unterschied zum Helium-Neon-Laser ist sein Laserstrahl gepulst und sehr viel intensiver. Mit ihm können zentimeterdicke Stahlbleche geschnitten werden, weswegen er in der Industrie häufig Verwendung findet.

Aber nicht nur Feststoffe und Gase lassen sich als Lasermedium einsetzen. Auch Flüssigkeiten erfüllen in Farbstoff-Lasern diesen Zweck.

Der Farbstoff-Laser

Funktionsprinzip eines Farbstoff-Lasers, Grafik: Bastian Osterloh / CC-BY-NC-SA 4.0 International Lizenz

Ursprünglich wurden Farbstoffe aus Mineralien und Pflanzen gewonnen, um damit Stoffe einzufärben oder Farben herzustellen. Auch Tiere, wie z.B. die Purpurschnecke, können Lieferanten für Farbstoffe sein. Heute werden meist künstlich hergestellte Farbstoffe verwendet.

Es handelt sich bei diesen Farbstoffen um komplizierte Moleküle, die aus bis zu hundert Atomen zusammengesetzt sind. Diese werden in einer Flüssigkeit wie Wasser oder Alkohol gelöst und reagieren bei starker Lichteinstrahlung ähnlich wie die laseraktiven Atome und Moleküle eines Festkörper-Lasers. Da das Medium flüssig ist, werden sie auch als Flüssigkeits-Laser bezeichnet.

Das Funktionsprinzip ist verblüffend einfach: Man fokussiert einen starken Lichtstrahl auf den flüssigen Farbstoff in einem Glasgefäß, der sogenannten Küvette. Zum Fokussieren verwendet man eine Zylinderlinse, die das Licht nicht in einem Punkt, sondern in einem Strich bündelt. In diesem Stich ist die Intensität des Pump-Lichtstahls so groß, dass im Farbstoff eine Besetzungsinversion stattfindet. Der durch die Beleuchtung entstandene „Strich“ in der Flüssigkeit wird zum laseraktiven Medium.

Da es viele verschiedene Farbstoffe gibt, lassen sich mit Farbstoff-Lasern sehr viele verschiedene Laserfarben realisieren. Allerdings ist die Haltbarkeit der Farbstofflösungen nur gering und so muss die teure Flüssigkeit häufig erneuert werden. Das ist der Grund, warum heute gern auf alternative Laserquellen zurückgegriffen wird und der Farbstoff-Laser an Bedeutung verliert.

Der freie Elektronen Laser

Ein Teil vom Freie-Elektronen-Laser „FLASH II“ des Forschungszentrums DESY in Hamburg. Er kann sehr kohärente Strahlung im Ultraviolett- und weichen Röntgenbereich des Lichtspektrums erzeugen.
Bild: © DESY 2015/ Dirk Nˆlle, DESY

Freie-Elektronen-Laser sind keine Laser in dem Sinn, dass sie Licht durch die stimulierte Emission erzeugen. Somit ist die Bezeichnung „Laser“ strenggenommen falsch. Allerdings ist die erzeugte Strahlung sehr kohärent und hat auch alle anderen Eigenschaften eines Laserstrahls.

Freie-Elektronen-Laser (häufig mit FEL abgekürzt) sind sehr aufwendig, da sie einen Elektronen-Beschleuniger benötigen, der Elektronen auf Fast-Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Allerdings ist ihre Ausgangsleistung auch immens hoch und sie können sehr kurze Laser-Blitze bis in den Bereich von einigen Hundert Femto-Sekunden erzeugen. Also Lichtblitze die um die 0,000 000 000 000 1 Sekunden lang sind!

Damit lassen sich in der Forschung z.B. chemische und biologische Prozesse sowie ungeklärte Fragen zum Magnetismus erforschen.

Hier verkürzt das zugrundeliegende Prinzip: Die sehr schnellen Elektronen werden in einem sich ständig wechselnden Magnetfeld senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung hin- und hergeworfen. Bei dieser Zitterbewegung geben die Elektronen sehr kohärente elektromagnetische Wellen ab.

Die Wellenlänge des Laserlichtes aus einem Freien-Elektronen-Laser ist abhängig von der Geschwindigkeit der beschleunigten Elektronen. Der im Bau befindliche European XFEL in Hamburg wird sogar Laserstahlung im Röntgenbereich erzeugen können. Allerdings ist der Laser aber auch 3,4 km lang.

Mehr Informationen zu dem Freie-Elektronen-Laser European XFEL findet ihr hier.

Zusammenfassung

  • Es gibt viele verschiedene Typen von Lasern.

  • Das Medium, in dem das Licht entsteht und verstärkt wird, kann fest, flüssig oder gasförmig sein.

  • Auch gibt es Sonderformen wie den Freie-Elektronen-Laser. Dieser ist kein Laser im strengen Sinne, erzeugt aber Strahlung, die viele Eigenschaften von Laserlicht hat.

  • Jedes System hat seine Vor- und Nachteile. Je nach Anwendung muss der passende Laser gewählt werden.

Technische Werte von Lasern
Laser-Typ Typische Vertreter Typischer Einsatzort Wellenlänge Wirkungsgrad Ausgangsleistung / Energieabgabe
Quellen:
1.: Eichler, J., Eichler, H-J., Laser – Bauformen, Strahlführungen, Anwendungen, Springer
2.: Radloll, W., Laser in Wissenschaft und Technik, Spektrum Akademischer Verlag
3.: https://de.wikipedia.org, Seiten zu den jeweiligen Laser-Systemen
4.: http://www.alhin.de/laser, Laserdatenbank
5.: http://www.spektrum.de, Lexikon der Physik
6.: http://flash.desy.de, Website des DESY in Hamburg
   
Festkörper-Laser Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser
(Nd:YAG-Laser)
Wissenschaft und Technik. Speziell für Anwendungen in der Messtechnik, Materialbearbeitung,
Medizin, Spektroskopie und Holographie 1 Frequenzverdoppelt: Grüne Laserpointer 3
meist 1064 nm 1
gepulst und kontinuierlich
25 bis 50 % 3 bis zu 10 kW in Serienlasern 3
  Rubinlaser War der erste Laser überhaupt; heute von effizienteren ersetzt. Genutzt zum Erstellen von Hologrammen und zur Entfernung von Tatowierungen 3 694 nm
nur gepulst 1
ca. 1 % 1 bis zu 100 kW
50 J pro Puls 1
  Titan:Saphir-Laser
(Ti:Sa-Laser)
Verbreitetster Femtosekundenlaser mit weitem Einsatzgebiet in der Grundlagenforschung und in Anwendungen wie der Lasermedizin 3 von 670 nm bis über 1100 nm abstimmbar 1 einige Prozent 1 über 100 W 1
Dioden_Laser Aluminium-Gallium-Arsenid-Laser
(GaAlAs-Laser)
Nachrichtentechnik und CD-Player 1 von 650 nm bis 880 nm abstimmbar 1 30 bis 60 %4 bis zu 100 mW 1
  Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid-Laser
(InGaAsP-Laser)
Nachrichtenübertragung über Glasfaser und Pumpen von Lasern 3 von 1150 nm bis1650 nm abstimmbar 2 30 bis 60 % 4 bis zu 100 mW 1
Gas-Laser Kohlenstoff-Dioxid-Laser
(CO 2-Laser)
Industrie, Medizin 3 10600 nm 2 15 bis 20 % 3 bis zu 80 MW 3
  Helium-Neon-Laser
(He-Ne-Laser)
Forschung und Meßtechnik: Besitzt eine sehr hohe Kohärenz 1 633 nm, 1150 nm & 3390 nm 1 0,01 % 1 10 mW bis zu 100 mW 2
  ArF Excimerlaser
(Argon Fluorid)
LASIK Augenkorrektur in der Medizin 2 193 nm 2
nur gepulst
1 bis 2 % 4 einige Watt 1
Farbstoff-Laser Rhodamin 6G-Laser
(R6G-Laser)
Medizin,
Spektroskopie 5
von 560 nm bis 630 nm abstimmbar 5 < 15 % 4 bis zu 1,4 kW 4
Freie Elektronen Laser Als Beispiel der Flash II am DESY in Hamburg Forschung 6 von 4 nm bis 80 nm abstimmbar 6 - 1 bis 5 GW 6

 

Anwendungen der Laserstrahlung

Nach der Erfindung des ersten Lasers in den sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts wusste man nicht so recht, wozu die neue Erfindung gut sein sollte. „Der Laser ist eine Lösung auf der Suche nach einem Problem" wurde in der Fachpresse geschrieben. Inzwischen verliert man leicht den Überblick über die vielfältigen Laseranwendungen.

Im Folgenden werden einige Anwendungsgebiete vorgestellt und einige weiterführende Links angegeben.

Anwendungsgebiet

Beispiele

 

Medizin

Laser zur Beseitigung von Tumorgewebe (laserinduzierte Thermotherapie); mit Hilfe von Lichtwellenleiter wird die Strahlung direkt an den Tumor geführt.

Laser zur Befestigung einer sich ablösenden Netzhaut. In der Umgebung der Ablösung werden mit dem Laser Narben erzeugt, aufgrund derer sich die Netzhaut nach einiger Zeit wieder mit dem Untergrund verbindet.

Veröden von Krampfadern: Eine dünne Laserfaser wird mit einem Katheder in die Vene geschoben. Mit kurzen Laserpulsen wird die Vene thermisch geschädigt, die Venenwände ziehen sich zusammen. Schließlich kommt es zum Venenverschluss.


Von Gesine Knobloch [CC-by-sa 2.0/de], via Wikimedia Commons

Vermessungstechnik
Tunnelbau

Der Laser liefert den Richtstrahl, so dass gerade Vortriebe beim Tunnel möglich sind

 

Einsatz bei
"Alltags-Geräten"

Laserdrucker

CD-Brenner

Scanner-Kasse

Laserpointer

Entfernungsmessung


Von Netweb (Own work) [CC-BY-SA-3.0 or GFDL], via Wikimedia Commons
 

Analytik

 

 

Massenspektrometrie (zur Anregung der höheren Atom- bzw. Molekülzustände wird ein Laser verwendet).

Untersuchung der Atmosphäre (LIDAR: Light detection and ranging). Aus der Rückstreuung des Laserlichts durch Teilchen in der Atmosphäre lässt sich z.B. die Entfernung von Wolken u.ä. bestimmen.
Das nebenstehende Bild zeigt das Wasserdampf-Lidar auf der Zugspitze.


Von Hannes Vogelmann, [public domain], via Wikimedia Common

Fertigungstechnik

 

 

Bohren

Schneiden

Schweißen

 

Kernfusion

 

 

Mit Hochleistungslasern können sehr dichte Plasmen hoher Teilchendichte und Temperatur (~ 1 Mio. Grad) erzeugt werden.

 

Hinweise:

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