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Laser


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Ein Laser ist eine Lichtquelle die räumlich und kohärentes Licht erzeugt. Wegen der räumlichen Kohärenz ist ein Laserstrahl kollimiert (d. h. und wegen der zeitlichen Kohärenz ist ein monochromatisch (d. h. einfarbig). Das Wort Laser ist ein Akronym von L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation (Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung). Auf dem Prinzip wie der Laser basiert auch sein der Maser der aber Mikrowellenstrahlung aussendet.

Inhaltsverzeichnis

Wirkungsprinzip

Durch Energiezufuhr kann ein Elektron eines Atomes oder Moleküls in einen angeregten Zustand wechseln. Licht entsteht dadurch dass ein von solch einem energiereicheren zu einem energieärmeren wechselt wobei die Energiedifferenz auf das abgegebenen ( Photon ) übertragen wird. Der entgegengesetzte Vorgang ist Absorption bei der durch die Energie eines ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben wird.

Bei herkömmlichen Lichtquellen erfolgt dieser Übergang spontane Emission . D. h. sowohl der Zeitpunkt als die Richtung in die das Photon ausgesendet sind zufällig. Beim Laser hingegen erfolgt dieser durch stimulierte Emission . D. h. ein Lichtteilchen stimuliert diesen und dadurch entsteht ein zweites Lichtteilchen dessen ( Frequenz Phase Polarisation und Ausbreitungsrichtung) mit dem des ersten sind: Lichtverstärkung.

Die Wahrscheinlichkeit dass ein Photon durch Absorption ein Elektron auf ein höheres Niveau ist genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit dass eine stimulierte Emission auslöst. Um eine Verstärkung Licht zu erreichen müssen daher mehr Elektronen höheren Niveau liegen als im niedrigen so aufgrund der Besetzung die Wahrscheinlichkeit für die Emission höher ist als für die Absorption. Zustand in einem Festkörper nennt man Besetzungsinversion .

In einem technischen Laser wird das durch eine Anordnung zweier Spiegel immer wieder das Gebiet in dem Besetzungsinversion (im aktiven z.B. "Nd:YAG-Kristall" oder "CO2-Gas") herrscht geleitet. Eine Anordnung nennt man Resonator (lat. resonare= zurücksingen Einer der beiden Spiegel ist teilweise (unter durchlässig um Licht aus dem Laser auszukoppeln dass das Laserlicht austritt.

In Oszillatoren wird das Licht beim und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln immer verstärkt bis der Leistungszuwachs innerhalb des Systems die Abnahme der Besetzungsinversion und die immer ansteigenden Verluste ausgeglichen wird. Einer der beiden an den Enden des Resonators hat einen Bereich durch den das Licht austreten kann. Leistung innerhalb einer Oszillatorkavität ist üblicherweise viel als die ausgekoppelte Leistung. Ausgangsleistungen von typischen reichen von wenigen Mikrowatt (µW) bei Diodenlasern zu einigen Terawatt (TW) bei gepulsten Femto- Attosekunden Lasern mit externer Verstärkung. Die Diodenlaser es mittlerweile auch schon in kW-Bereich.

Eigenschaften von Laserlicht

Laserlicht kann extrem stark gebündelt werden kollimierte (parallel laufende) Lichtstrahlen miteinander korreliert sind. Eigenschaft nennt man hohe räumliche oder transversale Kohärenz . Am Rand der Öffnung können jedoch auftreten.

Die Polarisation von Laserstrahlen ist meist geordnet und linear. Laserlicht von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers) meist monochrom (einfarbig) weil alle Photonen die Energie haben was einer einheitlichen Wellenlänge (Farbe) Reale Dauerstrich-Laser weisen meist mehrere Laserlinien auf unabhängig voneinander verstärkt werden.

Außerdem ist Dauerstrich-Laserlicht zeitlich bzw. longitudinal kohärent was bedeutet dass die einzelnen Wellenpakete nur mit der gleichen Frequenz schwingen sondern alle im gleichen Takt. Diese Eigenschaft ermöglicht die Holographie . Ebenso ist eine Stabilisierung der absoluten (Phase hat einen bestimmten Wert und ist stabil) möglich.

Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein Laser Licht mit verschiedenen Frequenzen. Wenn diese eine feste Phasenbeziehung zueinander besitzen so kommt zur Ausbildung einer pulsierenden Ausgangsleistung. Die somit Impulsdauern liegen heutzutage in der Größenordnung von Femtosekunden ( siehe auch : Femtosekunden-Laser ).

Mit Lasern ist es gelungen Licht zu kontrollieren (Intensität Richtung Frequenz Polarisation Phase).

Verschiedene Typen von Lasern (incl. einigen

  • Gaslaser
    • Helium-Neon-Laser bei 632 8 nm Wellenlänge
    • Kohlendioxidlaser bei ca 10 6μm Wellenlänge
    • Stickstofflaser im UV
    • Argon-Ionen-Laser mehrere Linien bei 457 9 nm 476 5 nm (12%) 488 0 nm (20%) 496 (12%) 501 7 nm (5%) 514 5 nm (43%)
    • Excimerlaser z.B. KrF (248 nm) XeF (351-353 nm) (192 nm) XeCl (308 nm) F 2 (157 nm)
  • Farbstofflaser
    • CW-Farbstofflaser mit umgepumpten Farbstoff Farbstoffe z.B. Cumarin Rhodamin
    • Blitzlampengepumpte Laser
  • Farbzentrenlaser
    • z.B. in NaCl
  • Festkörperlaser
    • erster Laser entwickelt vom Maiman: Rubinlaser 3 nm 1960
    • hierbei ist der Nd:YAG-Laser bei 1064 nm bei 532nm frequenzverdoppelt) der wichtigste kommerzielle Festkörperlaser. Nd:Glas Ti:Saphir
  • Halbleiterlaser
  • Chemische Laser
    • HCl-Laser
    • Iod-Laser
  • Freie Elektronenlaser

Anwendungen von Lasern

  • Werkstoffbearbeitung:
    • Durch die starke Bündelung können extrem starke erzeugt werden mit denen Werkstoffe geschnitten oder werden können. Außerdem gibt es die Möglichkeit mit Laser zu härten. Dabei schreckt sich Metall durch Wärmeleitung selbst ab.
  • Medizin:
    • In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose z.B. in der optischen Kohärenztomographie OCT . In der Therapie kann mit höherer eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund verschweißt werden.
    • In der Dermatologie und Venerologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und durchführen.
    • In der Zahnmedizin kann der Laser den Bohrer ersetzen
  • Messtechnik
  • Wissenschaft
    • Vermessungen der Erde durch Satelliten Messung von tektonischen Verschiebungen
    • In der Chemie ist durch Infrarot- und die Identifizierung und Analyse von Molekülen möglich.
    • Zeitaufgelöste Spektroskope mit ultrakurzen Laser-Impulen im z.B. zeitlicher Ablauf von chem. Reaktionen
    • Nichtlineare Optik
    • Mit einem Konfokalmikroskop kann man die Probleme der Schärfentiefe Lichtmikroskopes umgehen.
  • Holographie
    • Als Kunstobjekte
    • Zur Datenspeicherung
  • Datentechnik
  • Militär
    • Markierung von Zielen für selbststeuernde Waffen
    • Entfernungsmessung für z.B. Panzer
    • erste Versuche von Lasergewehren die den Gegner erblinden lassen
    • projektierte Lasersatelliten zur Raketenabwehr mittels Hochenergielasern
  • Sonstiges / Unterhaltung
    • Laserpointer
    • Disco Bühnenshows...

neuere Entwicklungen in der Augenheilkunde bzw. Zahnmedizin ist die Femtosekunden-Laser oder FS-Laser -Technik

Laser-Klassen

Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung DIN EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die Klassifizierung nach DIN VDI 0837 darf für Laser nicht mehr verwendet werden)

  • Klasse 1
Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich.
  • Klasse 1M
Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich solange optischen Instrumente wie Lupen oder Ferngläser verwendet
  • Klasse 2
Die zugängliche Laserstrahlung liegt nur im Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0 25 s) auch für das Auge. Eine längere Bestrahlung durch den natürlichen Lidschlussreflex verhindert.
  • Klasse 2M
Wie Klasse 2 solange keine optischen wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
  • Klasse 3R
Eine Gefährdung des Auges ist möglich unwahrscheinlich. Maximal 5-fache Leistung der Klasse 2 sichtbaren oder der Klasse 1 im unsichtbaren
  • Klasse 3B
Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für Auge und in besonderen Fällen auch für Haut.
  • Klasse 4
Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich das Auge und gefährlich für die Haut. diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Die kann Brand- oder Explosionsgefahr verursachen.

Weblinks



Bücher zum Thema Laser

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