Licht und seine anwendung in der medizin

Belegarbeit Physik Licht und seine Anwendung in der Medizin Ausgearbeitet von Markus Birth ©1998 Markus Birth   LASER  Definition: LaserLASER steht für “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” was soviel wie “Lichtverstärkung durch künstlich angeregte Aussendung von Strahlung” bedeutet. Ein Laser ist grob gesagt ein “Energieumwandler für elektromagnetische Schwingungen im Bereich der Lichtwellen”. Ein Laser strahlt Licht aus. Im Großen und Ganzen kann man die Funktionsweise des Lasers mit der einer Glühlampe vergleichen. Bei einer Glühlampe wird dem Glühfaden elektrische Energie zugeführt, welche die Metallatome mit Energie auflädt (Die Metallatome treten in einen “höheren Energiezustand”). Die Metallatome geben diese Energie dann in Form von Lichtteilchen ab (sogenannten Quanten bzw.

Photonen). Danach kehren sie in ihren energieärmeren Zustand zurück. Jedes Atom sendet bei dieser Energieänderung seine Photonen unabhängig von den anderen aus. Das führt dazu, daß Lichtwellen mit völlig unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen) entstehen, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Diese Wellenlängen nehmen das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes ein. Das Gemisch aller Farben im Bereich des sichtbaren Lichtes wird von unserem Auge als weiß interpretiert.

Der Laser hingegen erzeugt ein nahezu paralleles Lichtbündel (d.h. alle Strahlen werden in die selbe Richtung ausgesendet), das aus einer einzigen Farbe besteht (das Lichtbündel ist »monochromatisch«). Die Wellenlänge des Lichtbündels variiert von infrarot bis ultraviolett. Die einzelnen Wellen des Laserlichtes schwingen zusammenhängend (sie sind »kohärent«). Die Intensität der Laserstrahlung ist zudem viel höher als bei normalem Mischlicht.

  Der Ursprung Die Laser-Technik hat ihre Existenz den Experimenten mit der Maser-Technik zu verdanken. MASER steht für “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” und bedeutet etwa soviel wie “Mikrowellenverstärkung durch künstlich angeregte Aussendung von Strahlung”. Bereits 1917 erklärte Albert Einstein, daß ein “Aufladevorgang” (eine »Induzierte Emission«), wie er später beim Laser stattfindet, möglich sein müsse. Die Wissenschaftler R. Ladenberg und H. Kopfermann verwendeten bei ihren “Aufladeversuchen” im Jahre 1927 verschiedene Gase.

Die erste Lichtverstärkung gelang dem sowjetischen Physiker W.A. Fabrikant im Jahre 1940. Den nächsten Fortschritt machte der deutsch-französische Physiker Alfred Kastler im Jahr 1950. Er entwickelte das System des “optischen Pumpens”: Kastler bestrahlte Atome mit Licht solcher Frequenz, das von den Atomen absorbiert werden konnte. Die Atome gerieten in einen höheren Energiezustand und gaben das “aufgesaugte” Licht dann verstärkt ab.

Kastler machte einen Teil seine Versuche mit sichtbarem Licht, experimentierte zusätzlich aber auch mit Radiowellen. Die durch die Bestrahlung mit Radiowellen erfolgte Mikrowellenverstärkung wurde später als MASER bekannt. Heutzutage wird der Maser hauptsächlich beim Nachrichtenverkehr mit Erdsatelliten, in radioastronomischen Empfangsanlagen und bestimmten Richtfunkanlagen als Verstärker verwendet. Der Maser wird zusätzlich noch für den Betrieb von Atomuhren und als Generator für Millimeterwellen verwendet. Verantwortlich für die Entwicklung des Masers waren u.a.

die amerikanischen Physiker Charles Hard Townes, Arthur Leonard Schawlow und H. J. Zeiger. Das Maser-Prinzip wurde 1951 von Townes formuliert. Townes verwendete Ammoniakmoleküle und bestrahlte diese mit einer Mikrowelle, deren Frequenz mit der Eigenfrequenz der Ammoniakmoleküle übereinstimmte. Durch diese Bestrahlung wurden die Moleküle in einen höheren Energiezustand versetzt, die ihre Strahlung dann wieder verstärkt abgaben.

Es entstand also eine Mikrowelle mit sehr hoher Intensität. Im Jahr 1953 wurde dann auch der erste Gasmaser in den USA entwickelt. Zeitgleich wurde auch in Rußland fieberhaft am Maser-Prinzip gearbeitet. Die Experimentierergebnisse der Russen waren den Amerikanern sehr hilfreich bei ihrer eigenen Maserentwicklung. Townes entwickelte Ende der fünfziger Jahre den ersten Festkörpermaser als Molekularverstärker. 1957 entwickelten auch die Wissenschaftler in Rußland den ersten Festkörpermaser.

Während dieser Zeit war Townes in den USA an der Columbia-Universität aber schon mit der Laserentwicklung beschäftigt. Townes hatte seit 1957 die Idee, im Maser statt Mikrowellenbestrahlung eine Lichtbestrahlung zu verwenden. Die erste Theorie des Lasers, die 1958 erschien, wollte Townes sich nun patentieren lassen. Allerdings hatte der Atomphysiker Gordon Gould sich schon ebenfalls mit der Theorie eines Lasers beschäftigt und bereits 1957 Aufzeichnungen über seine Versuche bei seinem Notar hinterlegt. Es kam zu einem endlosen Rechtsstreit, der erst 1977 mit einem Teilerfolg für Gould endete. Doch bereits 1960 wurde der Laser für Townes und Schawlow patentiert - oder besser gesagt: die Laseridee.

Denn bis jetzt war es nur eine bloße Theorie, es wurde noch kein Laser aufgebaut. Zahlreiche Forscher “stürzten” sich auf das Laser-Projekt. Der erste funktionierende Rubinlaser wurde aber nicht von einer großen Universität entwickelt, sondern vom amerikanischen Physiker Theodore Harold Maiman in einem kleinen Nebenlabor der Hughes Aircraft Company. Dieser Rubinlaser wurde 1960 präsentiert, also im gleichen Jahr, in dem das Patent an Townes und Schawlow vergeben wurde.   Die Unterschiede Heutzutage gibt es drei verschiedene Arten von Lasern, die sich durchsetzen konnten. Neben dem Festkörperlaser (z.

B. Rubinlaser) gibt es noch den Gaslaser und den Halbleiterlaser. Diese drei Arten unterscheiden sich im Aggregatzustand des aktiven Mediums (der Teil, der mit Energie “vollgepumpt” wird) und in der Art und Weise der Anregung. Als aktives Medium im Festkörperlaser eignen sich bestimmte Kristalle oder Glas, die mit lichtverstärkenden Atomen angereichert sind. Als Beispiel ist hierbei der Rubinkristall zu nennen, der Spuren von Chrom enthält. Der bekannteste Festkörperlaser ist der Rubinlaser, der ein rotes Laserlicht ausstrahlt.

Neben dem Rubinlaser ist in erster Linie der Neodym-Glaslaser (Aluminiumoxidkristall) zu nennen, in dessen Glas (dem Feststoff) ca. 1% Neodym-Ione enthalten sind. Der Neodym-Laser sendet ein infrarotes Licht aus. Ein weiterer Festkörperlaser ist der Yttrium-Aluminium-Granat-Laser, abgekürzt YAG-Laser. Festkörperlaser gehören zur Gruppe der Impulslaser, bei denen das aktive Medium durch intensive Lichtblitze (z.B.

die einer Quecksilberdampflampe) angeregt wird und seinerseits dann wiederum verstärkte Lichtblitze aussendet. Einsatzgebiete des Festkörperlasers sind z.B. das Bohren sehr kleiner Löcher, das Schneiden, Schmelzen und Verdampfen. Bei mehrstufiger Verstärkung und Energiespeicherung wird aus dem Festkörperlaser ein Riesenimpulslaser, mit dem eine Ausgansleistung von ca. 100 Millionen Kilowatt erreicht werden kann.

(Zum Vergleich: normale Rubinlaser erreichen eine Ausgangsleistung von etwa 1 Watt.) Dieser “Riesenenergieschub” steht aber nur für den Bruchteil einer Millisekunde zur Verfügung. Die nächste Gruppe ist die Gruppe der Gaslaser. Gaslaser enthalten als aktives Medium ein Edelgas, Metalldämpfe oder Molekülgase. Angeregt wird das Gasmedium durch optisches Pumpen (=Lichtblitze) oder durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung, die dann (ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre) die Gasentladung erzeugt. Gaslaser gehören meist in die Kategorie der Dauerstrichlaser.

Ein Gaslaser ist z.B. der Helium-Neon-Laser (kurz: HeNe-Laser; Leistung bis etwa 10mW) oder der Argonlaser. Der HeNe-Laser sendet ein rotes Licht aus, während der Argonlaser ein blaues bis grünes Licht aussendet. Eine wesentlich höhere Leistung als diese beiden Laser hat der Kohlenstoffdioxidlaser (CO2-Laser; Leistung bis ca. 10W), der ein infrarotes Licht aussendet.

Der CO2-Laser wird vor allem für energieaufwendige Schneidaufgaben verwendet. Die leistungsschwächeren Gaslaser werden dagegen häufig in Präzisionsgeräten für berührungsfreies Messen eingesetzt. Das Einsatzgebiet reicht dabei z.B. von der Dickenkontrolle von Walzblech bis zur Entfernungsmessung. Die ersten Gaslaser gab es 1961 und wurden von den drei Physikern A.

Javan, W. R. Bennett und D. R. Herriott entwickelt. Die einfache Gasentladung im Laser dauert nur sehr kurze Zeit, weshalb ein Gaslaser meist als “Impulslaser” fungiert.

Durch starke Radiowellen kann man jedoch aus dem “Impulslaser” einen “Dauerstrichlaser” machen. Als dritte Gruppe ist die Gruppe der Halbleiterlaser zu nennen. Die ersten Halbleiterlaser wurden 1962 erprobt. Das aktive Medium ist in diesem Fall ein Halbleiterkristall, z.B. aus Gallium-Arsenid (GaAs-Laser).

Betrieben werden kann der Halbleiterlaser mit Gleichstrom. Diese Eigenschaft ist entscheidend für den Einsatz dieser Art von Lasern in der Nachrichtenübermittlung (als Laserdiode). Ein großer Vorteil des Halbleiterlasers ist, daß man ihn ohne Konstruktionsprobleme staubkorngroß bauen kann. Sein hoher Wirkungsgrad bleibt dabei erhalten. Vorteilhaft ist auch, daß der Halbleiterlaser im Dauerstrich- und Impulsbetrieb verwendet werden kann. Halbleiterlaser sind heutzutage in der Unterhaltungsindustrie sehr beliebt.

Man findet sie u.a. in CD-Player, CD-ROM-Laufwerken, Laser-Wasserwaagen, etc.. Halbleiterlasern werden die größten Zukunftschancen eingeräumt. Die Möglichkeiten Das Anwendungsgebiet des Lasers ist weit gestreut.

Eines der ersten Aufgabengebiete des Lasers war z.B. das Bohren winziger Löcher in Uhrensteine eines schweizer Uhrenherstellers. Mit dem verwendeten Festkörperlaser war es möglich, stündlich vollautomatisch 20.000 Bohrungen durchzuführen, ein Mehrfaches von dem, was ein Mensch erreichte. Gaslaser mit Dauerstrichbetrieb fanden und finden Anwendung im Tunnelbau (z.

B. bei U-Bahnen). Die Laser lenken riesige Bohrmaschinen “schnurgeradeaus” durch die Erde. Auch als Meßgerät finden Laser vielfach Verwendung. Mit ihnen kann man z.B.

Dicken, Entfernungen und Geschwindigkeiten völlig berührungslos messen. Das Prinzip ist ganz einfach: Der auf die Oberfläche des zu vermessenden Objektes gerichtete Laserstrahl wird reflektiert (z.B. mit Hilfe eines Spiegels) und von einer Fotodiode wieder aufgefangen. Jetzt wird die Laufzeit des Strahls ermittelt und daraus die Entfernung berechnet. Ein berühmtes Beispiel für die Entfernungsmessung mit Lasern ist die Vermessung der Strecke Erde-Mond.

Astronauten der Apollo-11-Mission stellten bei ihrem ersten historischen Mondbesuch 1969 einen Laserreflektor auf dem Mond auf, der am 01. August 1969 von einem Riesenimpulslaser, der in Kalifornien stand, angepeilt wurde. Nach knappen 2½ Sekunden wurde der reflektierte Laserstrahl wieder aufgefangen. Seit diesem Tage ist die Entfernung Erde-Mond bis auf 20 cm genau bekannt. Lasertechnik wird in immer größerem Umfang auch in der Medizin eingesetzt. Statt mit mechanischen Geräten werden Zähne heute mit Lasern völlig schmerzfrei gebohrt.

Auch abgelöste Augen-Netzhäute können mithilfe eines Lasers wieder “angeschweißt” werden. Auch im Umweltschutz hat der Laser Einzug gehalten. Mit sogenannten Lidar-Geräten (Lasergeräte nach dem Radarprinzip) werden Staub-, Dunst- und Wolkenschichten jeder Art geortet. Dadurch können z.B. Luftverschmutzer entlarvt werden.

In der Kernenergie sollen Superlaser mit Strahlungsleistungen um eine Milliarde Kilowatt helfen, das Problem der kontrollierten Kernfusion zu lösen und damit in Zukunft ermöglichen, “saubere” Kernkraftwerke zu bauen. Nach Meinungen von Fachleuten wird das in der Zukunft bedeutendste Anwendungsgebiet von Lasern die Nachrichtentechnik sein. Zur Datenübermittlung in Lichtwellenleitern, sogenannten Glasfasern, werden schon heute Laserdioden eingesetzt.   Der Laser als Waffe Leider wird der Laser auch als Waffenhilfssystem mißbraucht. Heutzutage werden beim Militär Luft-Boden-Raketen teilweise mit Lasern gelenkt. Der Pilot richtet dabei seinen “Leitstrahl” (ein Laserstrahl von einem Laser am Flugzeug/Hubschrauber) auf ein Bodenziel aus und schickt eine Rakete los.

Die Rakete bewegt sich immer auf der Bahn des Lasers und tritt dadurch genau dort, wo der Pilot will. Laser werden dort auch zur Entfernungsmessung von Zielen und zur Nachrichtenübermittlung verwendet. Außerdem gibt es Versuche von Laserwaffen. In New Mexico (USA) gibt es seit 1982 ein Testgelände für eine Laserkanone mit 2,2 Millionen Watt Leistung. Für den Einsatz als Abwehrwaffe gab es 1987 vier Laserarten, die dafür geeignet schienen. Diese Laser waren in der Lage, während der Antriebsphase einer Rakete (vom Abschuß der Rakete bis zum Lösen der Flugkörper von der Antriebsrakete) diese durch einen Laserschuß zu zerstören.

Einer dieser vier Laser war der “chemische Laser”. Er erreicht seine Strahlung durch die Reaktion zweier Gase (z.B. Wasserstoff und Fluor). Er ist ein Dauerstrichlaser mit einer Leistung von mehr als einem Megawatt. Um diesen Laser als Abwehrwaffe gegen Raketen einsetzen zu könne, wäre allerdings mindestens die 20-fache Leistung erforderlich.

Der zweite Laser war der sogenannte “Excimer-Laser”, der Licht erzeugt, das in rasch aufeinanderfolgenden Impulsen ausgesendet wurde. Einer der stärksten Laser dieser Art war der Krypton-Fluorid-Laser. Doch auch er war als Abwehrwaffe untauglich, da er statt einer mehrere Millisekunden dauernden Aussendung von mindestens 100 Megajoule nur etwa 1 Mikrosekunde lang 10 Kilojoule erzeugen konnte. Als nächstes überlegte man, ob der “Freie-Elektronen-Laser” als Raketenabwehr geeignet wäre. Der “Freie-Elektronen-Laser” funktionierte nach folgendem Prinzip: Ein Elektronenstrahl wird durch ein magnetisches Wechselfeld (die Pole werden ständig “vertauscht”) gelenkt. Durch die ständigen Magnetfeldänderungen werden die bewegten Elektronen in Schwingungen versetzt, wodurch wiederum elektromagnetische Strahlung ausgesendet wird.

Die Strahlung konnte man beim “Freie-Elektronen-Laser” durch Variation der Magnetfeldänderung auf jede beliebige Wellenlänge einstellen. Aber auch dieser Laser war als Abwehrwaffe nicht zu gebrauchen, da er bei einer vorausgesetzten Wellenlänge von einem Mikrometer eine Mindestleistung von ca. 1 Gigawatt hätte bringen müssen. Die Wellenlänge von einem Mikrometer war unbedingt notwendig, da es in diesem Bereich keine atmosphärische Absorption gegeben hätte. Das wiederum war wichtig, da die Laserkanone ja durch die Atmosphäre geschossen hätte. Bei einer Wellenlänge von einem Mikrometer lag die Spitzenleistung jedoch nur bei einem Megawatt.

Somit war also auch der “Freie-Elektronen-Laser” ungeeignet. Der vierte Versuch, war der “Röntgen-Laser”. Bei dem ein nuklearer Sprengsatz zur Explosion gebracht wird, die das Freiwerden von Röntgenstrahlen verursacht. Röntgenstrahlung ist viel energiereicher als elektromagnetische Strahlung und wäre somit zur Abwehr von Raketen sehr geeignet gewesen. Bei der Entwicklung des Röntgenlasers trafen die Wissenschaftler jedoch auf viele Probleme, so daß an dieser Technologie heutzutage immer noch geforscht wird. Bis heute gibt es (wahrscheinlich) noch kein ausgereiftes Raketenabwehrsystem auf Laserbasis.

Ein Problem ist, einen Laser zu entwickeln, der die benötigte Energie leisten kann. Viel entscheidender ist jedoch das Problem, den Laserstrahl in sein Ziel (die feindliche Rakete) zu lenken. Zu diesem Zweck würde man einen Spiegel mit einem Durchmesser von 10 bis 40 Metern benötigen. Bis heute liegt die Durchmessergrenze jedoch bei ca. 8 Metern. Die Problematik liegt nämlich in der Schnelligkeit der Bewegung eines solch großen Spiegels.

Man muß ihn schnell und präzise auf bewegliche Ziele ausrichten können, was bei 40-Meter-Spiegeln eine große Problematik darstellt.   Der Laser als Hilfsmittel Laser werden aber, wie weiter oben schon erwähnt, auch immer mehr in der Unterhaltungsbranche und in der EDV eingesetzt. Laser findet man unter anderem in Laserdruckern, CD-ROM-Laufwerken, Magneto-Optical-Discs (MO-Discs), Digital-Versatile-Discs (DVDs), CD-Brennern und AudioCD-Playern.   Anwendungsgebiet: Laserdrucker In einem Laserdrucker werden die zu druckenden Bildinformationen (Zeichen und Grafiken) mit Hilfe eines Lasers auf eine lichtempfindliche Schicht, die sich auf einer rotierenden Trommel (die Selentrommel bzw. Fotoleitertrommel) befindet, projiziert. Die von dem Laser belichteten Stellen laden sich dadurch statisch auf und wirken anziehend.

An den statisch aufgeladenen Stellen werden in der Entwicklerstation Tonerpartikel (Toner = Mikrofarbpartikel) angezogen. Das gewünschte Bild ist nun spiegelverkehrt in Form von Tonerpartikeln auf der Fotoleitertrommel. Anschließend wird das Papier an der Fotoleitertrommel vorbeigeführt, wo die Tonerpartikel nun auf das Papier übertragen werden. Das Papier wird im Vorheizsattel auf mehrere 100°C erhitzt und läuft danach durch die Fixierwalzen, in denen der nun heiße Toner durch Druck in das Papier eingebrannt wird. Die Fotoleitertrommel wird nun an der Entladestation von der restlichen Statik befreit und an der Reinigungsstation gereinigt. Nachdem die Fotoleitertrommel am Ladecoroton “vorbeigelaufen” ist, kann sie wieder neue Informationen aufnehmen.

Laserdrucker gehören zu den Seitendruckern, d.h., daß immer eine komplette Druckseite in den Druckerspeicher übertragen werden muß, bevor sie ausgedruckt werden kann (bedingt durch die erforderliche Geschwindigkeit beim Ausdruck). Deshalb werden Laserdrucker auch in Kopierern eingesetzt.   Anwendungsgebiet: CD-Laufwerk CD ist die Abkürzung für Compact Disc. Eine CD ist eine einseitig in digitaler Form beschriebene Festspeicherplatte.

Die CD besteht aus einer Kunststoffscheibe von 12cm Durchmesser und 1,2mm Dicke. Da die Daten in digitaler Form (binär; 0 und 1) gespeichert sind, besitzt eine CD eine viel höhere Qualität als z.B. eine herkömmliche, analoge Langspielplatte. Die Toninformationen auf der CD sind unterhalb einer transparenten Schutzschicht der mit einer reflektierenden Aluminiumschicht bedampften CD-Oberfläche als digitale Signale in Form von einer dichten Folge mikroskopisch feiner Pits gespeichert. Als Pit bezeichnet man eine in die CD eingebrannte Vertiefung mit einer Tiefe von 0,1µm, einer Breite von 0,5µm und einer Länge von einem µm.

Diese Pits werden entweder in die CD gepreßt, z.B. bei der Massenproduktion von CDs, oder sie werden von einem Laserstrahl eingebrannt, wie es bei CD-Brennern der Fall ist. Die Pits sind wir auf einer Schallplatte spiralförmig angeordnet, laufen aber im Gegensatz zur LP von innen nach außen. Die Informationen, die auf eine CD gespeichert werden sollen, müssen vorher in eine 14- bis 16-stellige Binärkombination umgewandelt werden. Beim Abspielen der CD werden die digitalen Informationen mit Hilfe eines optoelektronischen Tonabnehmersystems gelesen.

Die Pits werden berührungslos mit einem fokussierten Lichtstrahl eines Halbleiterlasers abgetastet; so werden z.B. die gespeicherten Musikinformationen über einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) in Tonsignale rückgewandelt. MO-Laufwerke, CD-ROM-Laufwerke und DVD-Laufwerke arbeiten gleichermaßen.     Alles in allem ist der Laser ein sehr vielseitiges Instrument. Er kann und wird auch in Präsentationen zum Zeigen bestimmter Bereiche dem Zeigestock immer mehr vorgezogen.

Und bei der Polizei sorgt er für ein erhöhtes Einkommen. Aber die Laserentwicklung ist noch lange nicht am Ende. Es werden bestimmt noch stärkere und noch mächtigere Laser entwickelt werden. Lassen wir uns überraschen. Abbildung 1: Aufbau eines Gaslasers    Abbildung 2: Aufbau eines Rubinlasers                          Quellenangabe: Internet, verschiedenste Seiten; ABITURWISSEN Physik vom Weltbild Verlag (Walter Jung), S. 267-280; Das große Ravensburger Lexikon Band 2 vom Otto Maier Ravensburg Verlag   Wortanzahl: 2632

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