Laser

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.

Laser (Akronym für engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, dt. "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung") ist ein physikalischer Effekt, mit dem künstlich gerichtete Lichtstrahlen erzeugt werden können. Der Begriff Laser wird dabei nicht nur für den Verstärkungseffekt, sondern auch für die Strahlquelle verwendet.

Geprägt wurde der Begriff Ende der 1950er Jahre durch Gordon Gould in Anlehnung an den Maser; Gould nutzte den Begriff erstmals 1957 in seinen Notizen. Frühe Veröffentlichungen nannten den Laser noch optical maser (optischer Maser).

Laserstrahlen haben Eigenschaften, die sie stark von Licht aus klassischen Lichtquellen (wie beispielsweise einer Glühlampe) unterscheiden. Hierzu gehören häufig:

Aufgrund dieser Eigenschaften gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Technik und Forschung und inzwischen auch im täglichen Leben. Die Anwendungen reichen von der einfachen Anzeige (z.B. Laserpointer bei Präsentationen) über Entfernungsmessgeräte, Schneid- und SchweißwerkzeugLaserskalpell und anderen Laser-unterstützten Methoden im medizinischen Alltag.

Die Gemeinsamkeit von Laserstrahlen liegt im Entstehungsprozess, nämlich in der stimulierten Emission. Sie stellt 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, meistens um eine Besetzungsinversion zu erreichen. 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 wesentlich.

Pulslaser können auch so konstruiert werden, dass sie Impulse mit extrem geringer Dauer (Femtosekunden-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. Das Gegenstück zum Pulslaser ist der Dauerstrich-Laser.

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 die 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.

Die weitere Entwicklung führte dann zunächst zu Gaslasern (Stickstoff-, CO2-Laser, He-Ne-Laser) 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 des täglichen Lebens geworden.

Physikalische Grundlagen

Zusammenfassung

Stimulierte Emission

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.

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 EMEL einzustrahlen, schlägt aber fehl, weil so auch direkt eine Emission stimuliert würde und die Wahrscheinlichkeiten von Emission und Absorption in einem Zweiniveausystem gleich sind. Stattdessen verwendet man 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).

Beginn der Laseremission

In einer Materieansammlung (Gas, Festkörper, ...), die energetisch ausreichend angeregt ist, entstehen immer auch Photonen durch spontane Emission, die sich in irgend eine Richtung ausbreiten. 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 Fraunhoferschen 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:

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 in Richtung 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 kontinuierlich 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: Promillebereich 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.

Gefahren

Gesundheitsgefahren

Warnung vor Laserstrahl

Laser können aufgrund der Eigenschaften ihrer Strahlung und aufgrund ihrer extrem konzentrierten elektromagnetischen Leistung biologische Schäden verursachen. Daher sind Laser je nach Laser-Klasse mit genormten Warnhinweisen zu versehen. Dabei werden Bereiche der Wellenlängen und Einwirkzeiten unterschieden, die zu charakteristischen Verletzungen und Verletzungs-Schwellwerten der Leistungs- oder Energiedichte führen.

Anwender und Anlagenbauer müssen direkte, indirekte (unbeabsichtigt gerichtet reflektierte) und Streustrahlung (unbeabsichtigt diffus reflektierte) hinsichtlich dieser Grenzwerte berücksichtigen.

Mögliche Schäden:

Die Gefährdung durch Laserstrahlung an Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung wird oft nach der Maschinenrichtlinie beurteilt und ergibt auf dem Risikograph meistens die bisherige Kategorie 4 beziehungsweise die Sicherheitsanforderungsstufe 3 (auch Sicherheits-Integritätslevel 3, kurz SIL-3).

Sachschäden

Laserstrahlen können bei ausreichender Leistung oder Fokussierung Brände und Explosionen auslösen. Hochbrillante Laser zur Materialbearbeitung können bei Versagen der Steuerung (zum Beispiel eines Roboters) auch an weit außerhalb ihrer Fokusebene liegenden Bauteilen oder Wandungen Schäden verursachen.

Prävention

Jede kommerzielle Einrichtung, die einen Laser ab der Klasse 3R benutzt, muss von einem Laserschutzbeauftragten auf Gefahren und richtige Verwendung des Lasers unterwiesen werden.

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 0,1 mm bei 3 μm Wellenlänge, weshalb es zu Schäden in der Hornhaut kommen kann. Aus diesem Grund heißt der Wellenlängenbereich von 1,5 bis 2 μm augensicher (engl. eye safe) .

Unterhalb 1,4 μm 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 darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden)

Klasse Leistung Wellenlänge Beschreibung
1 < 25 μW 400...700 nm Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich oder der Laser ist in einem geschlossenen 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.
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 > 500 mW 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: Eine wissenschaftliche Untersuchung ergab, 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 kann der Studie zufolge nicht als Regelfall ausgegangen werden.



Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de
 
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 18.02. 2018