Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

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Demonstrationslaser: In der Mitte ist das Leuchten der Gasentladung zu sehen, die das Lasermedium anregt. Der Laserstrahl ist rechts als roter Punkt auf dem weißen Schirm zu erkennen.

Ein Laser [ˈleɪzə] (Abkürzung von engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, d. h. Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) ist eine künstliche gerichtete Strahlungsquelle.

Den Begriff prägte Gordon Gould 1957 in Anlehnung an den Maser. Frühere Arbeiten zu Lasern bezogen sich auf optical maser (Optische Maser).

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Warnung vor Laserstrahl

Laser sind Strahlungsquellen, deren Gemeinsamkeit im Entstehungsprozess der Strahlung liegt, nämlich in der so genannten stimulierten Emission. Sie stellen im Prinzip einen rückgekoppelten Verstärker für die Strahlung dar. Die Verstärkung wird in einem Medium wie einem Kristall, einem Gas oder einer Flüssigkeit erreicht, welchem durch Optisches Pumpen oder andere Weise Energie zugeführt wird. Laser gibt es für Strahlungen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums: von Mikrowellen, über Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, bis hin zu Röntgenstrahlung.

Meistens wird das aktive Medium in einen Resonator eingebaut, um eine effektive Rückkopplung zu erzielen. Der Resonator beeinflusst die Eigenschaften des Laserstrahls.

Laser haben Eigenschaften, die sie stark von klassischen Lichtquellen (wie beispielsweise einer Glühlampe) unterscheiden. Hierzu gehören etwa ein sehr enges Frequenzspektrum (Farbe des Lichts), die Parallelität der Strahlung und eine große Kohärenzlänge. Aufgrund dieser Eigenschaften gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Technik und Forschung. Sie 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.

Pulslaser können auch so konstruiert werden, dass sie Impulse mit extrem geringer Dauer (~10-fs-Bereich) aussenden. Die damit mögliche zeitaufgelöste Laserspektroskopie ist ein Standardverfahren zur Untersuchung schneller Prozesse geworden. Da Pulslaser oft nur wenige Lichtwellenzüge am Stück aussenden, haben sie prinzipbedingt eine sehr kurze Kohärenzlänge und ein breites Frequenzspektrum.

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

Zusammenfassung

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

  • Beim Pumpen des Lasers wird entweder ein Photon vom aktiven Medium (geeignete Materie, zum Beispiel Atome oder Moleküle in einem Festkörper, einer Flüssigkeit oder einem Gas) absorbiert, oder die Anregung erfolgt durch unelastische Stöße (Gasentladung, Teilchenstrahlung). Die Pumpleistung (Anregung) sorgt dafür, dass Atome oder Moleküle des aktiven Mediums in einen höheren Energiezustand, d. h. ein höheres Energieniveau gelangen.
  • durch zunächst spontane Emission geht dieser angeregte Zustand spontan, das heißt zufällig und ohne äußere Einflüsse, wieder in einen niedrigeren Energiezustand über. Die Energiedifferenz wird in Form eines Photons abgestrahlt. Zeitpunkt der Aussendung und Richtung des Photons sind zufällig.
  • Bei der stimulierten Emission wird durch ein solches, bereits existierendes Photon die Aussendung eines weiteren Photons angeregt; dieses besitzt die gleichen Eigenschaften (Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung). Es ergibt sich eine Verstärkung der Strahlung. Ein Resonator oder die Gestalt des aktiven Mediums sorgen dafür, dass diese Verstärkung rückgekoppelt und in einer bevorzugten Richtung erfolgt.
Stimulierte Emission: Lasing

Auch in geeigneten aktiven Medien werden die Photonen ohne Anregung (Pumpen) jedoch wieder absorbiert. Damit die Strahlung verstärkt wird, muss man dafür sorgen, dass der höhere Energiezustand EM ständig oder zumindest kurzzeitig stärker besetzt ist als der untere EL; dann sind stimulierte Emissionen häufiger als Absorptionen. Da dies im thermischen Gleichgewicht nicht der Fall ist, spricht man von Besetzungsinversion. Um diese zu erreichen, kann man zum Beispiel Licht geeigneter Wellenlänge einstrahlen (Optisches Pumpen). Der nahe liegende Ansatz, Photonen der Energiedifferenz EM − EL 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 zum Beispiel ein Medium mit einem Dreiniveausystem, bei dem zunächst auf ein drittes, höher gelegenes Energieniveau EP gepumpt wird. Von dort erfolgt strahlungslos oder per spontaner Emission ein Übergang 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. Je nach aktivem Medium gibt es aber auch Zweiniveaulaser im kontinuierlichen Betrieb (zum Beispiel die elektrisch gepumpten Diodenlaser) und Vierniveaulaser, bei denen das Niveau EL auf ein noch tieferes Niveau abgeregt werden muss, um erneut gepumpt werden zu können (z. B. Kohlendioxidlaser).

Didaktisches Modell des Lasers

Zwei tiefgründige Schlussfolgerungen aus experimentellen Beobachtungen sind der Schlüssel für die Existenz von Lasern:

Beispiel für Emissionslinien
  1. Die Auswahlregeln der Quantenmechanik, die aus der Existenz von so genannten verbotenen Übergängen erschlossen wurden. Das sind unscheinbare, lichtschwache Spektrallinien mancher Elemente, die unter normalen Laborbedingungen kaum messbar sind. Man kann sie beispielsweise im Polarlicht entdecken, weil in einigen 100 km Höhe die Sauerstoffatome ungestört die Wartezeit der verbotenen Übergänge abwarten können. Man kann Laser nur mit Atomen oder Molekülen bauen, die verbotene Übergänge besitzen.
  2. Die stimulierte Emission von Licht - das Gegenteil zur spontanen Emission - wurde von Einstein vorhergesagt, weil er sich ohne diesen von ihm erstmals behaupteten Effekt gewisse Eigenschaften der Lichtstrahlung nicht erklären konnte. Einstein sollte Recht behalten.
Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe. Obere Darstellung mit einem 256-Pixel-Zeilensensor. Untere Aufnahme mit einer Kamera

Nachdem einem Atom beispielsweise durch Optisches Pumpen ausreichend Energie zugeführt und deshalb ein Elektron auf eine höheres Energieniveau gehoben wurde, fällt dieses normalerweise nach sehr kurzer Verweildauer (weniger als 1 µs) unter Aussendung eines Photons wieder auf ein tieferes Energieniveau zurück. Eine Voraussetzung ist, dass bei diesem Vorgang der gesamte Drehimpuls (spin) erhalten bleibt. Da das Photon den spin 1 „davonträgt“, muss sich der gesamte Drehimpuls des Atoms um genau eine Einheit ändern. Ist das nicht möglich, weil sich der Drehimpuls aus anderen Gründen (wie Zusammenstoß mit einem anderen Atom oder interne Umlagerung eines anderen Elektrons) geändert hat, ist der Sprung des Elektrons auf das tiefere Energieniveau nicht möglich - das bezeichnet man als Verbotener Übergang. Dadurch wird die Verweildauer des Elektrons im hohen Energieniveau auf ein Vielfaches verlängert, mitunter auf einige Sekunden. Man spricht von einem metastabilen Zustand. Nichts dauert unendlich lang - irgendwann springt das Elektron doch und sendet dabei ein Photon aus. Da der Vorgang recht selten ist, wird die entsprechende Spektrallinie nur schwach sichtbar sein. Im nebenstehenden Bild könnte die Linie bei 491,6 nm so ein verbotener Übergang sein, da er einerseits sicher von Hg-Atomen stammt, andererseits erheblich schwächer ist als andere Spektrallinien.

Wenn sich mehr Atome in diesem ungewöhnlichen Zustand als im Grundniveau befinden, liegt eine Besetzungsinversion vor. Dann können diese wartenden Atome in einem Laser energetisch „gemolken“ werden. Dieser Mechanismus heißt stimulierte Emission. Die obige Erklärung gilt für Gase, nicht für Festkörper. Da beeinflussen sich die Atome sehr stark und zusätzliche Bedingungen müssen eingehalten werden. Aber für beide Zustände gilt: Es gibt Atom- oder Molekülsorten, in denen eine ausreichend lange Besetzungsinversion von einigen Mikrosekunden erzeugt werden kann und das nur bei Spektrallinien, die beispielsweise in der Spektroskopie eher wenig beachtet werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Besetzungsinversion umso leichter erzeugt werden kann, je größer die Wellenlänge des entsprechenden Übergangs ist.

  • Der sehr gut verstandene Kohlendioxidlaser nutzt einen Übergang bei 10,6 µm und erlaubt höchste Leistungen. Leider sind die Photonen dieser Infrarotstrahlung relativ energiearm und werden fast ausschließlich zur Wärmeerzeugung eingesetzt.
  • Festkörperlaser können besser nutzbares sichtbares Licht erzeugen, haben aber erheblich weniger Leistung.
  • Da beim bevorzugt verwendeten Halbleiter Silizium keine Möglichkeit gefunden wurde, eine Besetzungsinversion mit anschließender Erzeugung von Photonen zu erzeugen, müssen für Laserdioden exotische und teure Materialkombinationen eingesetzt werden. Auch hier gilt: Die zuerst gebauten Halbleiterlaser arbeiteten im IR-Bereich, dort baut man heute die leistungsstärksten Exemplare mit den höchsten Wirkungsgraden, weil hier eine Besetzungsinversion relativ leicht zu erzeugen ist.
  • Im UV-Bereich ist Besetzungsinversion über einen hinreichend langen Zeitraum schwierig zu erreichen, wie die erst kürzlich (2008) eingeführte Blu-ray Disc beweist.
  • Bisher ist kein Material bekannt, mit dem dieser Zustand im Röntgenbereich ausreichend lange dauert, um Verstärkungseffekte erzielen zu können. Offenbar liegen hier die Verweildauern in metastabilen Zuständen der Elektronenhülle immer im Picosekundenbereich oder darunter.

Laser ohne Resonator

Man erzeugt Laserlicht meist in einem Resonator, es geht aber auch ohne diesen, wie man an den Beispielen Freie-Elektronen-Laser, Stickstofflaser und natürliche astronomische Maser sehen kann. In diesem Fall ist die Intensitätszunahme des Lichtes pro Millimeter (die Verstärkung) aber ausreichend groß, dass es zur spontanen Laserentstehung kommt.

Astronomische Maser existieren nur im Frequenzbereich des Radars. Das hat im Wesentlichen zwei Gründe:

  • Nur bei dieser vergleichsweise sehr großen Wellenlänge von einigen Zentimetern ist die spontane Übergangswahrscheinlichkeit vom metastabilen in einen tieferen Zustand des Moleküls so gering, dass die Dauer einer Besetzungsinversion offenbar auf Stunden anwächst.
  • Ein spontan emittiertes Photon regt in einer riesigen Molekülwolke während einer Flugzeit von vielen Stunden so viele andere Moleküle zu induzierter Emission an, dass die Summe aller parallel fliegender Photonen ein Funksignal ergibt, das durch Radioteleskope gut identifiziert werden kann.

Die Mindestlänge für die Entstehung von Laserlicht benötigt beim Stickstofflaser einige Zentimeter, in einer Molekülwolke dagegen Lichtjahre.

Laser mit Resonator

Ein Resonator ist erforderlich, wenn die Verstärkung (die Anzahl der Atome im metastabilen Zustand pro Millimeter) zu gering ist und die benötigte Laserstrecke deshalb zu lang wird. Der Laser wird dann gewissermaßen „zusammengefaltet“, die bisher erzeugten Photonen müssen immer wieder zwischen den Spiegeln hin- und herlaufen, um durch Stimulierte Emission weitere Photonen von energiereichen Atomen dazu zu gewinnen. Diesen Vorgang kann man mit einem rückgekoppelten Verstärker der Elektronik vergleichen, der dann Schwingungen erzeugt. Je mehr Atome im erforderlichen metastabilen Zustand pro Millimeter vorhanden sind, desto kleiner kann der Abstand der Spiegel sein - das mit ist ein Grund, weshalb Laserdioden etwa hundert mal kürzer als Gaslaser sein können.

Die durch stimulierte Emission erzeugten Photonen bewegen sich mit gleicher Phasenlage (und gleicher Wellenlänge) parallel zu den Photonen, die diese Stimulation hervorgerufen haben. Es entsteht kohärentes Licht. Je größer der Abstand der Spiegel ist und je weniger anregbare Atome vorhanden sind, desto häufiger muss das Licht zwischen den Spiegeln pendeln. Das klappt aber nur dann, wenn die Spiegel gut parallel eingestellt sind, denn andernfalls würde das Licht nach wenigen Umläufen den Laser seitlich mit geringer Intensität verlassen. Der Öffnungswinkel des Lichtbündels, das den Laser durch einen teildurchlässigen Spiegel verlässt, ist umso geringer, je größer der Abstand der Spiegel ist. Die kurzen Laserdioden strahlen aus diesem Grund mit starker Divergenz.

Beginn der Laseremission

In einer Materieansammlung (Gas, Festkörper,...), die energetisch ausreichend angeregt ist, entstehen immer auch Photonen durch spontane Emission, die in irgend eine Richtung fliegen. Falls sie auf ihrem Weg zufälligerweise auf Atome im metastabilen Zustand treffen und die Energien zusammenpassen für eine stimulierte Emission, verstärkt sich die Intensität des Lichtes. Bei jedem energetisch „gemolkenen“ Atom kommt ein Photon zur bereits vorhandenen Menge dazu, die Lichtintensität steigt. Zum Glück kann auf dem weiteren Weg durch die Materieansammlung kein Photon durch Resonanzabsorption abhandenkommen, wie man beispielsweise beim Durchgang von Natriumlicht durch Natriumdampf oder bei Fraunhofersche Linien beobachten kann. Ursache ist der verbotene Übergang: Wenn das Atom die im metastabilen Zustand gespeicherte Energie nicht so ohne weiteres emittieren kann, kann es diese Energie auch nicht absorbieren, auch wenn sich das Elektron im unteren Zustand EL befindet.

Keine auffallende Laserwirkung ergibt sich, wenn:

  • das Licht die Materieansammlung vorzeitig verlässt, beispielsweise durch seitlichen Austritt aus dem Entladungsrohr.
  • zu wenige angeregte Atome angetroffen wurden. Man sagt dann, die Laserschwelle wird nicht erreicht.

Um eine hohe Intensität zu erzeugen, müssen sich also sehr viele Atome im metastabilen angeregten Zustand befinden. Bei den meisten Lasern wird das durch Spiegel erzwungen: Wenn ein Photonenbündel zufällig mit Flugrichtung senkrecht zu einem der Spiegel gestartet ist, muss es immer wieder in der Materieansammlung hin- und herlaufen, um möglichst sämtliche metastabilen Atome zu „melken“. Bei manchen Lasertypen wie He-Ne-Laser oder Laserdioden wird kontiuierlich Pumpenergie zugeführt, bei anderen Typen wie dem Rubinlaser wird zuerst kurzzeitig mit einer Blitzlampe optisch gepumpt, dann entsteht der Laserimpuls. Wenn es keine spontane Emission gäbe, würde in keinem Fall Laserlicht entstehen.

Technische Umsetzung

Hauptbestandteile:
1. aktives Medium
2. Pumpenergie
3. Spiegel
4. teildurchlässiger Spiegel
5. Laserstrahl

In einem Laser wird die Strahlung, die durch spontane Emission initiiert 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 die Laserstrahlung 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 (Auskoppelspiegel), um Strahlung aus dem Laser gewinnen, d. h. 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) bis zu einigen Terawatt (TW) bei gepulsten Femto- oder Attosekunden-Lasern mit externer Nachverstärkung.

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.

Eigenschaften von Laserstrahlung

Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser-Resonators bestimmt, insbesondere spielen dabei die Geometrie des aktiven Mediums und die Spiegelanordnung eine wichtige Rolle. Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. zu manipulieren (Brillanz, Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase, Zeit). Eine allgemeine Aussage über die Strahleigenschaften ist daher nicht möglich. Es ist auch nicht richtig, dass ein Laserstrahl immer ein enggebündelter Strahl mit geringer Frequenzbreite sein muss, wofür er allerdings oft gehalten wird. Je nach Zielsetzung ist eine Erzeugung derartiger Strahlen aber durchaus möglich. Eine herausragende, allgemeine Eigenschaft stellt jedoch die Möglichkeit zur starken Bündlung dar, mit der sehr hohe Leistungsdichten erzielt werden können. Die laterale Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlen ist bei guter Strahlqualität ein Gaußprofil (Gauß-Strahl).

Generell kann man zu den Strahleigenschaften sagen, dass Laserstrahlen sich gegenüber gewöhnlichen Lichtquellen durch viele Unterschiede auszeichnen, die im Folgenden genannt werden.

Kohärenz

Hauptartikel: Kohärenz (Physik)

Bei einer normalen Glühlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet, sondern auch in unbestimmter Phasenlage zueinander. Bei einem Laser dagegen sind die Wellen jeweils fast phasensynchron zueinander. Die Wellen sind über mehr oder weniger lange Strecken (Kohärenzlänge) fast phasengleich, was man sich zum Beispiel in der Holografie zunutze macht.

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 Verzögerungsplatten im Strahlengang des Laserstrahles erzielt wird.

Frequenz, Wellenlänge

Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das aktive Medium und dessen zum Lasern geeignete Energieübergänge bestimmt. Es gibt Stoffe, die auf vielen Wellenlängen zum Lasern angeregt werden können – jedoch meistens bei einer Wellenlänge besonders gut. Laser können sehr schmalbandige Strahlungsquellen sein, die Verstärkungsbandbreite (beim Kohlenstoffdioxidlaser zum Beispiel 9 bis 11 µm) ist jedoch meist höher als die Bandbreite der abgegebenen Strahlung - entweder schwingt der Laser von selbst im Maximum der Verstärkungsbandbreite (beim Kohlendioxidlaser zum Beispiel 10,6 µm) an oder man sorgt durch frequenzbestimmende Elemente für eine schmalbandige Emission auf einer einzigen Frequenz. 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

Laserstrahlung von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave laser, cw-laser) ist im Idealfall schmalbandig (monochrom, einfarbig), das heißt, es besteht nur aus Strahlung einer Wellenlänge. Insbesondere ist Dauerstrich-Laserstrahlung 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. Pulse können durch gepulste Anregung oder auch durch Maßnahmen im Laser selbst (Güteschaltung) erzeugt werden.
Bei sehr kurzen Pulsen benötigt das aktive Medium prinzipiell eine größere Verstärkungsbandbreite, innerhalb derer die beteiligten Frequenzen gekoppelt sind (Modenkopplung) und sich zu einem Impuls zusammensetzen. Je kürzer die Pulsdauer, desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fourier-Transformation das erzeugte Spektrum und umso breiter muss das Frequenzband sein, innerhalb dessen das aktive Medium verstärken kann. 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) muss das verstärkende (aktive) Lasermedium eine große Verstärkungsbandbreite besitzen.

Laser können sich auch selbst zur Abgabe einer Pulsfolge synchronisieren, wenn im Resonator zum Beispiel ein nichtlinearer (sättigbarer) Absorber vorhanden ist. Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse in einem solchen Laser erzeugt werden, hängt u. a. bei der instantanen Kerr-Linsen-Modenkopplung (engl. Kerr lens mode locking, ein Verfahren zur Erzeugung einer stabilen Pulsfolge 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 zum Beispiel einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstärkt. Mit weiteren Maßnahmen gelingt es damit, Spitzenleistungen bis in den Petawatt-Bereich zu erzeugen, die nur noch im Vakuum übertragen und fokussiert werden können, da die hohen Feldstärken ansonsten zu einem Luftdurchschlag führen würden.

Die Gütemodulation (Q-switching) des Resonators mit akustooptischen Güteschaltern oder Pockelszellen sind weitere Techniken zur Erzeugung energiereicher Laserpulse mit geringer Dauer: dabei wird die stimulierte Emission zunächst unterbunden, um sie dann bei inzwischen durch das Pumpen gestiegener Besetzungsinversion (hohe, im aktiven Medium gespeicherte Energie) schlagartig zu ermöglichen.

Lasertypen

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

Gaslaser

→ Hauptartikel Gaslaser

Entwicklung des Kohlenmonoxidlasers CO-EDL (Carbon Monoxide Electric Discharge Lasers) des Northrop Research and Technology Centers mit Unterstützung des Office of Naval Research der US Navy, 1968
Helium-Neon-Laser

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

  • Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser): Wichtigste Emissionswellenlänge bei 632,8 nm (rot). Weiterhin auch 543,5 nm, 594,1 nm und 611,9 nm.
  • Kohlendioxidlaser (CO2-Laser): etwa 10,6 μm Wellenlänge (mittleres Infrarot), wichtiger Industrielaser
  • Kohlenmonoxidlaser (CO-Laser): etwa 6–8 μm Wellenlänge (mittleres Infrarot), funktioniert nur gekühlt
  • Stickstofflaser (N2-Laser): 337,1 nm (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)
  • Helium-Cadmium-Laser (HeCd-Laser): wichtigste Laserquelle für blau (442 nm) und nahes UV (325 nm)
  • Krypton-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 350,7 nm; 356,4 nm; 476,2 nm; 482,5 nm; 520,6 nm; 530,9 nm; 586,2 nm; 647,1 nm (stärkste Linie); 676,4 nm; 752,5 nm; 799,3 nm (blau bis tiefrot)
  • Sauerstoff-Ionen-Laser
  • Xenon-Ionen-Laser
  • Mischgas-Laser, enthalten keine reinen Gase, sondern eine Mischung verschiedener (meistens Argon und Krypton)
  • 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.
  • Metallhalogenid-Laser, z. B. Kupferbromid-Laser, bei 510,6 und 578,2 nm. Aufgrund der hohen Verstärkung kann ein Kupferbromidlaser auch ohne Resonatorspiegel betrieben werden.

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:

  • HCl-Laser
  • Iod-Laser

Farbstofflaser

→ Hauptartikel 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:

  • Stilbene – Klasse von Farbstoffen im blauen Spektralbereich
  • Cumarine – Klasse von Farbstoffen im blauen bis grün-gelben Spektralbereich
  • Rhodamine – Klasse von Farbstoffen im gelben bis orange-roten Spektralbereich
  • DCM – Roter Farbstoff
  • LDS – Klasse von Farbstoffen im IR-Bereich

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

→ Hauptartikel 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:

  • Glas (Stabform oder Faserlaser)
    • Vorteil: einfache Herstellung auch in großen Dimensionen
    • Nachteil: geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Festigkeit
  • Al2O3 (Korund, Saphir) (z. B. Rubinlaser (Chrom-Dotierung), Titan:Saphir-Laser)
    • Vorteil: hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit
    • Nachteil: relativ hohe Absorption, teuer
  • YAG (Yttrium-Aluminium-Granat-Laser, → Nd:YAG-Laser) Dotierung Nd, Er, Yb
    • Vorteil: hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, geringe Absorption
    • Nachteil: keine bekannten
  • Yttrium-Vanadat (YVO4), Dotierung Nd
  • Fluoride wie YLF, BYF oder KYF
  • Sesquioxide wie Sc2O3 und Lu2O3

Beispiele für Dotierungsmaterialien:

  • Chrom war das Dotierungsmaterial des ersten Lasers, des Rubinlaser (694,3 nm (rot)). Aufgrund der geringen Effizienz wird es heute kaum noch verwendet.
  • Neodym: Der wichtigste kommerzielle Festkörperlaser Nd:YAG-Laser, bei 1064 nm (infrarot), beziehungsweise frequenzverdoppelt bei 532 nm (grün). Auch möglich sind: Nd:Glas, Nd:YLF …
  • Ytterbium: 1030 nm, erlaubt im Laserbetrieb einen hohen Wirkungsgrad > 50 %. Es bedarf dazu allerdings eines schmalbandigen Pumpens mit Laserdioden (940 nm). Das wichtigste Material mit dieser Dotierung ist der Yb:YAG-Laser, z. B. hochdotiert als Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm.
  • Titan: ein wichtiger modengekoppelter Festkörperlaser Titan:Saphir-Laser, 670–1100 nm (rot-infrarot), aufgrund breitbandiger Verstärkung für Pulse im fs-Bereich geeignet
  • Erbium: Wellenlänge 3 µm, Pumpen mit Diodenlasern bei 980 nm, sogenannter augensicherer Laser, Verwendung für Laser-Entfernungsmesser und in der Medizin
  • Praseodym: Ein relativ neues Laserion. Sehr interessant aufgrund mehrerer Übergänge im sichtbaren Spektralbereich (444 nm (blau), 480 nm (blau), 523 nm (grün), 605 nm (orange) und 640 nm (rot). Hervorzuheben ist hier der Übergang bei 523 nm (grün), da hier keine Frequenzverdopplung notwendig ist, wie etwa beim Nd:YAG-Laser, um einen grünen Laser zu betreiben.

Formen des aktiven Mediums:

Farbzentrenlaser

→ Hauptartikel 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

→ Hauptartikel 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 etwa 20 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 100 Watt (Barren mit über 200 Watt kontinuierlicher Ausgangsleistung sind in der Erprobung, Stand 2008). 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.

Diodenlaser werden auch zum optischen Pumpen von Festkörperlasern (Laserstäbe, Scheibenlaser, Faserlaser) verwendet. 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, sodass 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:

L = q \frac{\lambda}{2} \quad\Leftrightarrow\quad \nu = q \frac{c}{2L}

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

0 \le g_1 \cdot g_2 \le 1 \quad, wobei \quad g_1 = 1 - \frac{L}{r_1} \quad und \quad g_2 = 1 - \frac{L}{r_2}.

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

Schematische Darstellung von longitudinalen Lasermoden in einem Verstärker mit gaußförmigem Verstärkungsprofil

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:

\nu(N) = N \cdot \frac{c}{2L} ,

ν(N) ist dabei die zulässige Frequenz des N-ten Mode, c die Lichtgeschwindigkeit und L die Resonatorlänge (Abstand zwischen den Resonatorspiegeln). In dieser Formel kann man die Frequenz durch den gebräuchlicheren Begriff Wellenlänge ersetzen und erhält für die möglichen Wellenlängen λ in einem Resonator:

2L = N \cdot \lambda
Mögliche Wellenlängen 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:

\Delta \nu = \frac{c}{2L}

Die Halbwertsbreite einer Mode im Resonator beträgt:

\delta \nu = \frac{cT}{2L\sqrt{R}\pi}

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 Verteilung der Phasenlage der Wellen 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.

Lückenhaft In diesem Artikel oder Abschnitt fehlen folgende wichtige Informationen: Bild(er), laientauglicher erklären

Du kannst Wikipedia helfen, indem du sie recherchierst und einfügst.
Verschiedene Intensitätsprofile für einen Resonator mit rechteckigen Spiegeln

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 \Delta \nu = \frac{c}{4L} halbiert.

Anwendungen von Lasern

Materialbearbeitung

Laser lassen sich in allen Bereichen der Fertigungstechnik nach DIN 8580 für verschiedene Fertigungsverfahren einsetzen Sie werden hierzu an einer Laserbearbeitungsmaschine oder einem Laserscanner betrieben:

Laserbeschriftetes Schaltkreis-Gehäuse aus Keramik; Zeichenhöhe ca. 1,34 mm
  • Trennen/Abtragen:
    • Laserschneiden verschiedenster Materialien wie Holz, Kunststoff, Papier, Metalle
    • Laserbohren, auch Mikro-Laserbohren und Trepanieren (z. B. Löcher für die Effusionskühlung in Turbinenschaufeln, Bohren von Microvias in Leiterplatten)
    • Abtragen: Beseitigen von Material durch Schmelzen, Verdampfen oder bis zum Plasma erhitzen; oder auch photochemischer Abbau von Substanzen (Laserablation).
    • Gravur: Verbreitetes Verfahren für die Laserbeschriftung bzw. -Gravur aller Werkstoffe (z. B. Glasgefäße, Halbleiterbauelemente, Kugellager) in der Serienfertigung. Ein dem Gravieren ähnliches Verfahren ist das Laserritzen, welches in spröden Materialien Anrisslinien für ein nachfolgendes Brechen erzeugt.
    • Lasertrimmen: Ein Verfahren zum Abgleich von Widerständen.
  • Fügen:
    • Laserstrahlschweißen und -löten sowohl im Makrobereich wie der Automobilindustrie, dem Flugzeugbau[4], dem Maschinenbau oder im Schiffbau, aber auch im Mikrobereich wie der Elektronikfertigung. Neben Metallen können auch viele andere Werkstoffe wie Kunststoffe, Gläser, Silizium oder Keramik mit diesem Verfahren verschweißt und verschmolzen werden.
  • Beschichten:
  • Stoffeigenschaften ändern:
    • Laserstrahlhärten: Randschichtenhärtung von Metallen.
    • Laserpolieren: Umschmelzendes Verfahren zur Reduzierung von Oberflächenrauheiten von Metallen, Gläsern und Kunststoffen.
    • Isotopentrennung: Hier wird die unterschiedliche Atom- oder Molekülresonanz der verschiedenen Isotope oder deren organischer Verbindungen ausgenutzt, um sie mittels darauf abgestimmter Laser zu separieren (→ AVLIS, MLIS).
Ein gelasertes Logo auf einem Apfel
  • Drucktechnik
    • Belichten der Trommel in Laserdruckern, belichten oder gravieren der Druckwalzen von Druckmaschinen
    • Beschriften mit Laser: Beschriften/Bedrucken von Papier, Pappe, Holz, Leder, Kunststoffe und Metall durch Schmoren. Auch Farbabtrag von beschichteten Gegenständen; Farbumschlag auf Kunststoffen, Anlassbeschriftung auf Metall.
  • Markierung
    • Projektion sichtbarer Laserstrahlen bei der Holzbearbeitung, Holzrahmenbau und der Fertigung von Leimbindern: Markierung der Position der Holzstreben und –balken sowie des Verlaufes von Strom- und Wasserleitungen, Positionieren der Pressböcke. Die Kontur der fertigen Leimbinder kann auf das Leimbett projiziert, verschoben und gedreht werden; die Positionsdaten könen vom Laserprojektor direkt an die CNC-Fräse übertragen werden.
    • umlaufende Laserstrahlen oder Projektion eines Fächers oder Kreuzes im Trockenbau

Steuerungstechnik

  • Laser-Interferometer zur hochgenauen Positionsbestimmung, z. B. in Justier- und Belichtungsautomaten der Mikroelektronik
  • Lasergeführte fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV): Spurführung für fahrerlose Transportsysteme entlang einem Laserstrahl

Medizin

  • In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsächlich in der Diagnose eingesetzt, z. B. bei der Messung von Blutstrom (in der Medizin Flowmetrie genannt) und -zirkulation.
  • 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 Hornhautoberfläche korrigiert werden (z. B. LASIK-Operation, Femto Lasik).
  • In der Chirurgie, Gefäßchirurgie und Phlebologie wird der Laser hauptsächlich im Bereich Endoskopie oder als Laserskalpell eingesetzt. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung von defekten Venen (Krampfadern). Hierbei kann der Laser endovenös (Laser-Lichtleiter wird in die Vene eingebracht) angewendet werden. Dieses Laser-Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch „Stripping“. Die Laser-Behandlung ist in vielen Fällen schonender und ambulant durchführbar.
  • In der Dermatologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen. Blutgefäße können durch Laser bestimmter Wellenlängen (Farbstoff-Laser; Neodym:YAG-Laser; KTP-Laser; Krypton-Laser; Kupferdampf-Laser) koaguliert werden. Pigmentflecken können mit Hilfe abladierender (= schälender) Laser (Erbium:YAG; CO2) abgetragen oder mittels gütegeschalteter Neodym:YAG-Laser selektiv zerstört werden. Subkutanes (= unter der Haut gelegenes) Pigment kann mit Hilfe eines gütegeschalteten (ultrakurz gepulsten) Lasers (Neodym; Rubin; Alexandrit) zerstört und damit entfernt werden, ohne die Hautoberfläche selber zu verletzen. Durch Verwendung von langgepulsten (5–500 ms Pulsdauer) Alexandrit-, Rubin-, Neodym- oder Diodenlasern können Haarwurzeln durch die selektive Erhitzung pigmentierter Haare dauerhaft zerstört werden. Ein Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 308 nm (XeCl) wird zur gezielten Behandlung entzündlicher Hauterkrankungen, vorrangig der Psoriasis (Schuppenflechte) eingesetzt. Oberflächliche Unebenheiten der Haut (Knötchen, Fältchen) werden mit ultragepulsten CO2- oder Erbium:YAG-Lasern zur kosmetischen Verbesserung des Hautbildes geglättet (Resurfacing). Durch Laserlicht können auch selektiv dermale Anteile erwärmt werden, was in erster Linie dem Kollagenaufbau zur Straffung der Haut dienen soll („Subsurfacing“). Vom Laser sind sogenannte Blitzlampen abzutrennen, die kein monochromatisches, kohärentes Licht emittieren. Ebenso gibt es unterschiedliche Diagnosetechniken der konfokalen Mikroskopie, sowie der optischen Kohärenztomografie (OCT). Diese Techniken spielen aber in der Routinemedizin keine Rolle, sondern dienen eher wissenschaftlichen Fragestellungen.
  • In der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde werden Laser zur Abtragung von Veränderungen an den Stimmbändern bei larynx-mikroskopischen Eingriffen verwendet, außerdem zur Teilabtragung der Mandeln (Tonsillotomie) und von Tumoren in Mund und Rachen (z. B. beim Zungenkarzinom). Bei der Operation wegen Otosklerose wird der Laser zur Perforation der Steigbügel-Fußplatte verwendet.
  • In der Zahnmedizin kann der Laser z. B. Erbium:YAG, für den Abtrag von Zahnhartsubstanz („Bohren ohne Bohrer“) oder in der Parodontologie (Keimreduktion und Konkremententfernung in entzündeten Zahnfleischtaschen) verwendet werden. Diodenlaser werden in der Zahnmedizin für chirurgische Eingriffe, z. B. Lippenbändchenentfernung, für die Keimreduktion in der Endodontie (Wurzelkanalbehandlung) oder für die Zahnweißung (Bleaching) verwendet. Der Vorteil der Laserbehandlung gegenüber der konventionellen Methode ist die, dass der Patient weniger Schmerzen hat, die Setzung von Nähten teilweise überflüssig wird, es weniger blutet, da die Wunde verödet ist und die behandelte Stelle gleichzeitig dekontaminiert (keimfrei) wird.
  • In der Krebstherapie wird er für die photodynamische Therapie eingesetzt.
  • In der Urologie zur Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen und der Prostata (Greenlight Laser).
  • Die Lasermikrodissektion ist ein Verfahren zur Gewinnung von kleinsten Proben aus Gewebsschnitten oder Zellkulturen.
  • Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen u. a. die Versuche, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen.
  • Alternativmediziner benutzen sogenannte Softlasergeräte.

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

  • Markierung von Zielen für selbststeuernde Waffen und lasergelenkte Bomben.
  • Entfernungsmessung mittels einer Lasermesseinheit, z. B. für Panzer und die Artillerie
  • „Lasergewehre“, die den Gegner z. B. erblinden lassen
  • bodengestützte, auf Flugzeugen (Boeing AL-1) oder Schiffen stationierte Hochenergielaser zur Raketenabwehr (sogenannte Laserkanonen). Der Betrieb ist sehr aufwendig, teuer, die Waffen haben eine Gefahrenzone, in der sich beim Betrieb keine Menschen aufhalten dürfen, sie sind wenig effektiv bzw. Raketen können dagegen effizient geschützt werden (→ Tactical High Energy Laser, Energiewaffe)
  • Projekte für Lasersatelliten zur Raketenabwehr mittels Hochenergielasern (→ chemische Laser, MIRACL, Röntgenlaser, Weltraumwaffe)
  • Laser als Zielmarkierung an Handfeuerwaffen

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 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.

Oberhalb von 1,4 µm Wellenlänge wird die Strahlung großflächig in der Hornhaut absorbiert. Sie bietet einen Schutz für die Retina des Auges. Jedoch reduziert sich die Absorptionstiefe auf weniger als 0.1mm bei 3µm Wellenlänge, weshalb es zu Schäden in der Hornhaut kommen kann. Aus diesem Grund heißt der Wellenlängenbereich von 1.5 bis 2µm augensicher (engl. eye safe).

Unterhalb 1.4µm sind Hornhaut, Haut und darunter liegendes Gewebe 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 Leistung Wellenlänge Beschreibung
1 < 25 µW 400...700 nm Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich. (CD-Player; CD-/DVD-Brenner mit geschlossenem Gehäuse)
1M < 25 µW 302,5...4000 nm Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
2 ≤ 1 mW 400...700 nm 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 ≤ 1 mW 400...700 nm Wie Klasse 2, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser, verwendet werden. (*)
3R 1 bis 5 mW 302,5 nm...106 nm Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge.
3B 5 bis 500 mW 302,5...106 nm 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 > 500mW 302,5...106 nm 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. (Materialbearbeitung, Forschungslaser)
*) 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

Literatur

  • Anthony E. Siegman: Lasers. University Science Books, Mill Valley/CA 1986, ISBN 0-935702-11-3.
  • William T. Silfvast: Laser Fundamentals. 2. Auflage. Cambridge University Press, Cambridge 2004, ISBN 0-521-83345-0.
  • Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist: Laser. 6. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-8351-0032-7.
  • Axel Donges: Physikalische Grundlagen der Lasertechnik. Shaker, Aachen 2007, ISBN 978-3-8322-6392-8.
  • J. Eichler, H. J. Eichler: Laser. Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. 5. Auflage. Springer Verlag, ISBN 3-540-00376-2.
  • Charles H. Townes: How the Laser Happened. Oxford University Press, New York Oxford 1999, ISBN 0-19-512268-2

Weblinks

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


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