Laser
Der Begriff "Laser"
Laser = (Light Amplification by Stmulated Emission of Radio) das heißt auf deutsch Licht Verstärkung durch angeregte Aussendung von Strahlung. Laser erzeugen ein kohärentes Licht das heißt dass die Wellenlänge gleich ist, die Frequenz und Amplitude (Schwingungsweite) gleich sind und monochromatisches Licht also nur eine Farbe von Licht, das Licht lässt sich sehr stark bündeln und eine hohe Strahlungsintensität (Strahlungsstärke) besitzt. Diese Arten von Lasern gibt es:
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-Festkörperlaser |
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-Flüssiglaser |
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-Plasmalaser |
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-Frei-Elektronenlaser |
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-Gaslaser |
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-Halbleiterlaser |
Der erste (funktionsfähige) Laser wurde 1960 (1 Jahr später Bau der Berliner Mauer) von T.H. Maiman gebaut. Dies war ein Festkörperlaser (Rubin-Laser). Das größte Problem bei dem Bau eines Lasers ist die Anregung des aktiven Materials, die so genannte Inversionserzeugung, die zur Lichtverstärkung führt. Je nach Art der Anregung unterscheidet man:
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-Anregung durch Licht (optisch gepumpte Laser) |
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-Anregung durch Stromdurchgang in einem Halbleiter (Injektionslaser) |
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-Anregung durch chemische Reaktion (chemische Laser) |
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-Anregung durch radioaktive Strahlung (nuklear gepumpte Laser) |
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-Anregung durch Elektronenstrahlen (Elektronenstrahlgepumpte Laser) |
Die Funktion eines Lasers im Vergleich zur Glühlampe:
Führt man einer Glühlampe Energie zu laden sich die Metallatome des Glühdrahtes mit dieser Energie auf "kommen" auf ein höheres Energieniveau. Gleich danach kommen die Atome auf ihren ursprünglichen Energiezustand und geben die aufgenommene Energie in form von Lichtteilchen (Photonen, Quanten) wieder ab. Jedes Atom sendet seine Teilchen zu einem beliebigen Zeitpunkt und an einem beliebigen Ort, unabhängig von den anderen Atomen, aus. So entsteht die Strahlung mit einer Vielzahl von Frequenzen, dessen Wellenlänge das Frequenzspektrum des sichtbaren Lichtes abdeckt. Bei dem Laser ist es anders. Beim Laser wird ein aktives Medium zur Abgabe von Lichtquanten angeregt. Die ausgesendeten Lichtteilchen besitzen alle die gleiche Frequenz, Amplitude, Wellenlänge und Phasenlage. Und das wird durch die Lichtteilchen die so lange in einem Resonator (mitschwingender Körper) hin und her schwingen, bis sie eine bestimmte Intensität (Stärke) erreicht haben und alle im Gleichtakt schwingen erreicht.
Der Festkörperlaser : (z.B. Rubin-Laser , Neodym-Glas-Laser)
Die Bestandteile eines Rubinlasers sind Rubinstab und Resonator (Länge exakt ein ganzzahliges Vielfaches der der Wellenlänge). Der Stab wird von einer Quecksilberdampflampe umwickelt (erzeugt sehr helle Lichtblitze). Die Energie der Lichtblitze lädt die Chromatome (in jedem Rubinstab vorhanden) auf. Diese Chromatome geben Lichtteilchen mit gleicher Energie ab (brieten sich nach beiden Enden des Rubinstabes aus). Eine Stirnfläche vom Stab ist mit einer Metallschicht voll- und die andere teilverspiegelt ->> die Teilchen werden zunächst zwischen den verspiegelten Flächen hin und her geworfen ("optisches Pumpen"). Es werden immer mehr Chromatome angestoßen und zur Abgabe weiterer Lichtteilchen angeregt. Die Zahl der Lichtteilchen wird immer größer und größer und bilden einen Strahl (die Lichtwellen schwingen genau im Gleichtakt). Erreicht der Strahl eine bestimmt Intensität (Stärke), durchdringt er die teilverspiegelt Fläche und tritt als dunkelroter strahl nach außen. Der Strahl hat nun dieselbe Impulsdauer wie der Lichtblitz (Impulslaser)
GASLASER
Die Anregung bei Gaslasern erfolgt durch elektrische Entladungen in einem Gasgemisch. Bei Leuchtstofflampen ist die Funktion ähnlich. Der Resonator (mitschwingender Körper) des Lasers bestehet aus einer Glasröhre, an den Stirnflächen sind Verspiegelungen angebracht die exakt justiert (einstellen) können. Die Glasröhre ist entweder mit CO2 oder mit Edelgasen (z.B. Helium, Argon, Neon,…) gefüllt. Mehr als zwei in der Röhre eingeschmolzene Elektroden (die an Hochspannung angeschlossen sind) fließt ein elektrischer Strom, der die Gasatome in der Röhre anstößt, dadurch lädt er sie mit Energie auf und durch den Rückfall auf das Ursprüngliche Energieniveau zur Abgabe von Lichtquanten. Die Teilchen werden an den Stirnflächen reflektiert und treten an der Teilverspiegeltenfläche als Lichtwelle aus (Festkörperlaser), sobald sie eine bestimmte Intensität (Stärke) erreicht haben. Bei dieser Welle handelt es sich nicht um Impulse sondern um eine kontinuierliche Strahlung. Die Röhren können sich so stark erwärmen das sie zerstört werden (besonders bei Gaslasern). Darum müssen diese Geräte sehr stark und aufwendig gekühlt werden. Bei CO2-Lasern muss außerdem immer Frischgas zugeführt und das verbrauchte Gas abgesaugt werden.
Der Diodenlaser hat das selbe Prinzip wie eine Leuchtdiode (LED). Er besteht aus einem ca. 300µm * 40µm großen Halbleiter-Stäbchen , das aus einer n- und einer p-dotierten Schicht aufgebaut ist. An seinen Enden ist es verspiegelt und plan-poliert. Durch das Anlegen einer geringen Versorgungsspannung entsteht an der Sperrschicht (Dicke 2µm) zwischen p- und n-Zone eine Lichtwelle, die zwischen den Spiegeln hin und her geworfen bis sie die teilverspiegelte Fläche nach Außen durchdringen kann. Die Laserdiode liefert eine kontinuierliche Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 630nm, die sich aber durch Anlegen einer Wechselspannung (auch Hochfrequenz) modulieren lässt. Laserdioden werden normalerweise aus dem Halbleitermaterial Gallium-Arsenid hergestellt. Seit kurzen gibt es auch Diodenlaser dir aus Gallium-Nitrid gefertigt sind. Diese erzeugen ein blaues Licht mit einer Wellenlänge von 414nm. Dadurch soll es z.B. möglich sein, die Kapazität einer CD auf das 2-4 Fache zu erhöhen. Laserdioden gibt es mit Leistungen von ungefähr 1W im Dauerbetrieb und 100W im Impulsbetrieb. Für spezielle Anwendungen sind auch Dioden bis ca. 1kW erhältlich, die aber mehrere Millionen Mark kosten und deshalb im industriellen Bereich nicht eingesetzt werden.
Anwendungen von Lasern
Sehr vielfältige Anwendungsgebiete gibt es bei Lasern. Vom Bohren kleinster Löcher bis zum Laser-Skalpell für Operationen.
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-Weil man den Laser-Strahl sehr stark bündeln kann (bis ca. 50µm Durchmesser) kann man eine hohe Leistungsdichte (bis 10MW/cm²) erzeugen und dadurch Löcher in harte Materialien wie z.B. Industriediamanten brennen. |
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-In der Messtechnik z.B. die "Flughöhe von Magnetschwebebahn, die Geschwindigkeit von vorbeifahrenden Autos oder beim lenken der riesigen Bohrmaschinen die die U-Bahn-Tunnel graben sind überall Laser im Spiel. Am 1.8.1969 wurde ein Laser-Strahl von der Erde zu Mond geschickt, wo er von einem Spiegel reflektiert und auf die Erde zurückgeworfen wurde. Ungefähr 2,5 Sekunden später traf der Strahl wieder auf der Erdoberfläche ein, wodurch sich die Entfernung auf 20 cm genau vermessen lies. |
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-Medizin |
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-Mit LIDAR - Geräten (Light Detecting and Ranging), das sind Lasergeräte die nach dem Radar-Prinzip arbeiten, können Umweltschutzbehörden Luft- oder Wasserverschmutzer entlarven. Es werden extrem kurze Laser-Impulse auf z.B. eine Abgaswolke gerichtet. Die Intensität (Stärke) des reflektierten Lichtstrahles gibt Aufschluss über die Konzentration des Gases (je stärker desto Konzentrierter). |
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-Um Informationen schnell und ohne große Verluste zu übertragen, werden in der Nachrichtentechnik Laser verwendet. Es werden die Laserstrahlen in Lichtwellenleiter (LWL) eingekoppelt. Auch CDs und DVDs werden mit Lasern gelesen und zum Teil auch Geschrieben. |
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-Zum Punkt- oder Nahtschweißen von Blechen, Gehäusen und KFZ-Teilen, werden die hohen Temperaturen die sich durch Laser erzeugen lassen verwendet. |
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-Leider wurden die Waffentechniker darauf aufmerksam, dass Laserstrahlen eine hohe Leistung erzeugen lassen. Schon 1978 wurde der erste Panzer mit einer 400.000 Watt "Laserkanone" vorgestellt, damit ließen sich Panzerabwehrraketen zerstören. Im März 1983 gab der US-Präsident Ronald Reagan den Startschuss zum "Schutzschild im Weltraum" (Startegic Defense Initiative => SDI). Zwar wurden Laser mit einigen Magawatt Leistung konstruiert , aber diese waren immer noch zu "schwach" um anfliegende Raketen bereits im Weltraum zerstören zu können. Deshalb wurde das Projekt wieder auf "Eis" gelegt. |
Weitere Verwendungsmöglichkeiten:
die Holografie (Speicherung von dreidimensionalen Bildern),Laser - Drucker, Beschriftungsmaschinen, Trimmen von gedruckten Widerständen und Schaltkreisen, Schneiden von Blechen und Folien, Strichcode-Scanner und Dekorationen und Werbung.