Laser
Ein Laser ist eine Lichtquelle, die räumlich und zeitlich kohärentes Licht erzeugt. Wegen der räumlichen Kohärenz ist ein Laserstrahl kollimiert (d. h. gebündelt), und wegen der zeitlichen Kohärenz ist ein Dauerstrichlaser monochromatisch (d. h. einfarbig). Das Wort Laser ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung). Auf dem selben Prinzip wie der Laser basiert auch sein Vorläufer, der Maser, der aber Mikrowellenstrahlung aussendet.
Table of contents |
2 Eigenschaften von Laserlicht 3 Verschiedene Typen von Lasern (incl. einigen Beispielen) 4 Anwendungen von Lasern 5 Laser-Klassen 6 Weblinks |
Wirkungsprinzip
Durch Energiezufuhr kann ein Elektron eines Atoms, Moleküls oder Kristalls in einen angeregten Zustand wechseln. Licht entsteht dadurch, dass ein Elektron von solch einem energiereicheren zu einem energieärmeren Zustand wechselt, wobei die Energiedifferenz in Form eines Lichtteilchens (Photon) abgegeben wird. Der entgegengesetzte Vorgang ist die Absorption, bei der durch die Energie eines Photons ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben wird.
Bei herkömmlichen Lichtquellen erfolgt dieser Übergang durch spontane Emission. D. h. sowohl der Zeitpunkt als auch die Richtung, in die das Photon ausgesendet wird, sind zufällig. Beim Laser hingegen erfolgt dieser Übergang durch stimulierte Emission. D. h. ein Lichtteilchen stimuliert diesen Übergang, und dadurch entsteht ein zweites Lichtteilchen, dessen Eigenschaften (Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung) mit dem des ersten identisch sind: Lichtverstärkung.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon durch Absorption ein Elektron auf ein höheres Niveau anhebt, ist genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass es eine stimulierte Emission auslöst. Um eine Verstärkung von Licht zu erreichen, müssen daher mehr Elektronen im höheren Niveau liegen als im niedrigen, so dass aufgrund der Besetzung die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission höher ist als für die Absorption. Diesen Zustand nennt man Besetzungsinversion.
In einem technischen Laser wird das Licht durch eine Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet, in dem Besetzungsinversion (im aktiven Medium z.B. "Nd:YAG-Kristall" oder "-Gas") herrscht, geleitet. Eine solche Anordnung nennt man optischen Resonator (lat. resonare= zurücksingen, hallen). Im Resonator wird das Licht beim Hin- und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln immer weiter verstärkt, bis der Leistungszuwachs innerhalb des Systems durch die Abnahme der Besetzungsinversion und die immer stärker ansteigenden Verluste ausgeglichen wird. Einer der beiden Spiegel ist teilweise (im Prozentbereich) durchlässig, um Licht aus dem Laser auszukoppeln, so dass das Laserlicht austritt. Die Leistung innerhalb des Resonators ist dadurch viel höher als die ausgekoppelte Leistung. Ausgangsleistungen von typischen Lasersystemen reichen von wenigen Mikrowatt (µW) bei Diodenlasern bis zu einigen Terawatt (TW) bei gepulsten Femto- oder Attosekunden Lasern mit externer Verstärkung. Die Diodenlaser gibt es mittlerweile auch schon in kW-Bereich.
Bei Freie-Elektronen-Lasern fungiert ein hochenergetischer Elektronenstrahl als aktives Medium. Dieser Elektronenstrahl wird durch einen Undulator, der aus Magneten besteht, die längs der Strahlrichtung so angeordnet sind, dass das Magnetfeld seine Richtung längs des Weges periodisch ändert (zeitlich ist es hingegen konstant), gelenkt. Dadurch schwingen die Elektronen mit einer bestimmten Frequenz, während sie den Undulator passieren, und geben elektromagnetische Strahlung ab. In Vorwärtsrichtung ist diese elektromagnetische Strahlung durch die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls stark blauverschoben. Durch Spiegel, die wie bei anderen Lasern angeordnet sind, können bestimmte Frequenzen konstruktiv interferieren; dadurch kommt es zu größeren Intensitäten bei diesen Frequenzen, was wiederum zur stimulierten Lichtemission der Elektronen führt. Für Laser mit größeren Wellenlängen gibt es elektronentransparente Spiegel, die aus einem Drahtgitter bestehen, wobei der Drahtabstand wesentlich kleiner ist als die Laserwellenlänge; elektronentransparenten Spiegel erleichtern die Führung des Elektronenstrahls, der ja im Undulator parallel zu den Lichtwellen ist. Der Elektronenstrahl, der nach dem Undulator nicht viel Energie verloren hat, wird oft auf eine Anode gelenkt und die Energie geht als Wärme verloren. Die Energie des Elektronenstrahls kann auch zurückgewonnen werden, was die Effizienz des Systems erhöht. Die Lichtwellenlänge kann bei freien Elektronenlasern kontinuierlich verändert werden, indem Spiegelabstand und Elektronenenergie verändert werden. Die Effizienz dieses Lasertyps kann relativ hoch sein. Man hofft, in Zukunft freie Elektronenlaser bauen zu können, die elektromagnetische Strahlung im Röntgen- oder sogar Gammabereich emittieren.
Die Polarisation von Laserstrahlen ist meist geordnet und üblicherweise linear. Laserlicht von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers, cw-lasers) ist meist monochrom (einfarbig), weil alle Photonen die gleiche Energie haben, was einer einheitlichen Wellenlänge (Farbe) entspricht. Reale Dauerstrich-Laser weisen meist mehrere Laserlinien auf, die unabhängig voneinander verstärkt werden.
Außerdem ist Dauerstrich-Laserlicht zeitlich bzw. longitudinal kohärent, was bedeutet, dass die einzelnen Wellenpakete nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch alle im gleichen Takt.
Diese Eigenschaft ermöglicht erst die Holographie. Ebenso ist eine Stabilisierung der absoluten Phase (Phase hat einen bestimmten Wert und ist relativ stabil) möglich.
Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein modengekoppelter Laser (Mode-Locking) Licht mit verschiedenen Frequenzen. Wenn diese Frequenzen eine feste Phasenbeziehung zueinander besitzen, so kommt es zur Ausbildung einer pulsierenden Ausgangsleistung. Die somit erzielbaren Impulsdauern liegen heutzutage in der Größenordnung von Femtosekunden (siehe auch: Femtosekunden-Laser).
Die Repetitionsrate, mit der die Pulse den Laser verlassen, hängt von der Resonatorlänge ab.
Neben dem Mode-Locking sind die Gütemodulation (Q-switching) und das cavity-dumping weitere wichtige Techniken zu Erzugung kurzer und energiereicher Laserpulse.
Mit Lasern ist es gelungen, Licht vollständig zu kontrollieren (Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase).
Eigenschaften von Laserlicht
Laserlicht kann extrem stark gebündelt werden, da kollimierte (parallel laufende) Lichtstrahlen miteinander korreliert sind. Diese Eigenschaft nennt man hohe räumliche oder transversale Kohärenz. Am Rand der Öffnung können jedoch Beugungseffekte auftreten.Verschiedene Typen von Lasern (incl. einigen Beispielen)
Anwendungen von Lasern
Laser-Klassen
Klassifizierung nach DIN EN 60825-1
Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach DIN EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDI 0837 (s. u.) darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden)
Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich.
Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
Die zugängliche Laserstrahlung liegt nur im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s) ungefährlich auch für das Auge. Eine längere Bestrahlung wird durch den natürlichen Lidschlussreflex verhindert.
Wie Klasse 2 solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
Eine Gefährdung des Auges ist möglich aber unwahrscheinlich. Maximal 5-fache Leistung der Klasse 2 im sichtbaren oder der Klasse 1 im unsichtbaren Spektralbereich.
Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut.
Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Die Laserstrahlung kann Brand- oder Explosionsgefahr verursachen.