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.
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.
Eigenschaften von Laserlicht
Laserlicht kann extrem stark gebündelt werden, da es sich um räumlich kohärentes Licht handelt.
Die Polarisation von Laserstrahlen ist meist geordnet und üblicherweise linear.
Laserlicht von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers, cw-lasers) ist meist monochrom (einfarbig), was einer einheitlichen Wellenlänge entspricht. Außerdem ist Dauerstrich-Laserlicht zeitlich bzw. longitudinal kohärent, was bedeutet, dass die beteiligten Wellen 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 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 Wiederholfrequenz, mit der die Pulse den Laser verlassen, hängt von der Resonatorlänge ab. Bei einem Resonator mit der Umlauflänge vom einem Meter beträgt diese ca. 300 MHz.
Neben der Modenkopplung sind die Gütemodulation (Q-switching) und das cavity-dumping weitere wichtige Techniken zu Erzugung kurzer und energiereicher Laserpulse.
Durch die starke Bündelung können extrem starke Laserstrahlen erzeugt werden, mit denen Werkstoffe geschnitten oder geschweißt werden können. Außerdem gibt es die Möglichkeit Stahl mit Laser zu härten. Dabei schreckt sich das Metall durch Wärmeleitung selbst ab.
Medizin:
In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose eingesetzt, z. B. in der optischen Kohärenztomographie OCT. In der Therapie kann mit höherer Leistung eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund verschweißt werden. Außerdem kann Fehlsichtigkeit durch Abtragung von Hornhaut bzw. Material der Augenlinse korrigiert werden (z. B. LASIK-Operation).
In der Dermatologie und Venerologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen.
In der Zahnmedizin kann der Laser den Bohrer ersetzen.
in Barcodelesegeräten werden die Laser zum Abtasten von Barcodes verwendet. Dabei wird der Strahl über ein Spiegelrad gleichmäßig über den Barcode Linienförmig geführt. Der reflektierte Strahl wird über einen Fototransistor als hell-dunkel Sequenz ausgewertet.
erste Versuche von Lasergewehren die den Gegner z. B. erblinden lassen
Hochenergielaser auf Flugzeugen und Schiffen zur Raketenabwehr
projektierte Lasersatelliten zur Raketenabwehr mittels Hochenergielasern
Sonstiges / Unterhaltung
Laserpointer
Disco, Bühnenshows, im Planetarium als moderner "Diaprojektor" mit Ausleuchtung der vollen Halbkugel,._..
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)
Klasse 1
Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich.
Klasse 1M
Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
Klasse 2
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.
Klasse 2M
Wie Klasse 2 solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
Klasse 3R
Eine Gefährdung des Auges ist möglich aber unwahrscheinlich. Maximal 5-fache Leistung der Klasse 2 im sichtbaren oder der Klasse 1 im unsichtbaren Spektralbereich.
Klasse 3B
Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut.
Klasse 4
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.
Klassifizierung nach DIN VDI 0837
Bis März 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDI 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebräuchlich.
Klasse 1
entspricht der neuen Klasse 1
Klasse 2
entspricht der neuen Klasse 2
Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 1M eingestuft.
Klasse 3a
Die zugängliche Laserstrahlung wird für das Auge gefährlich, wenn der Strahlungsquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird. Ist dies 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 meist in Klasse 2M oder 3R eingestuft.
Klasse 3b
entspricht der neuen Klasse 3B Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 2M oder 3R eingestuft.
Dieser Beitrag ist aus der XML-Version der deutschen WikiPedia® entwickelt worden und unterliegt inhaltlich den GNU FDL-Lizenzbestimmungen. Linkziele außerhalb der wikipedia-Inhalte unterliegen den Urheberrechten der jeweiligen Anbieter
( DirectDownloads ) Kalenderblätter druckfertig aufbereitet für Schmuckblätter zum Selbstdrucken im Word DOC6/RTF Format, je Euro 5 über Click&BuyJAN | FEB | MÄRZ APRIL | MAI | JUNI JULI | AUG | SEPT OKT | NOV | DEZ
Das Geschenk für jeden Anlass, nicht nur bei 'runden' Jubiläen Andere Einzeltage oder Zahlungsarten bitte HIER bestellen
Diese Web Site verdient ihr Geld durch Produktverkäufe (CD-ROM, downloads) und in erster Linie durch Anzeigen. Wenn Sie als Webmaster zuverlässige Partner suchen für Ihr eigenes Anzeigenschäft, dürfen Sie sich gerne auf unsere Empfehlungen stützen:
z.B.: GigaCash & ProfiWin
