Laser

  1. Laser I       1.1. Monochromasie       1.2. Kohärenz       1.

3. Hohe Intensität und Fokussierbarkeit       1.4. Das Laserprinzip       1.5. Aufbau eines Lasers   2.

Laser in der Medizin       2.1. Wirkungsmechanismen medizinischer Laserstrahlung       2.2. Laserchirurgie       2.3.

Laser in der Augenheilkunde   3. Laser in der Fertigungstechnik       3.1. Prinzip der Materialbearbeitung       3.2. Vorteile der Laserfertigung       3.

3. Laser für die Fertigung   4. Holographie       4.1. Hologrammaufnahme       4.2.

Hologrammwiedergabe       4.3. Holographie in der Bildaufzeichnung         1. Laser I     Anders als natürliche und konventionelle Lichtquellen (z.B. Sonne, Glühlampe) ist Laserlicht sehr intensiv, einfarbig und scharf gebündelt.

Jede einzelne dieser Eigenschaften zeichnet den Laser aus und erschließt ihm dadurch neue Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, Wissenschaft, Unterhaltungselektronik, Holographie, Nachrichtentechnik oder Materialbearbeitung. Laser unterscheiden sich durch ihre Größe sowie insbesondere durch die Frequenz ihrer ausgesandten Strahlung. Die Ausstrahlung (Emission) von Laserlicht kommt durch die Wechselwirkung der Atome zw. Moleküle des jeweiligen laseraktiven Materials (aktives Medium) mit Photonen zustande. Eine Einteilung der Laser erfolgt in der Regel nach ihren aktiven Medien in: Gas-, Flüssigkeits-, Festkörper-, Halbleiter- (Dioden) und Plasmaröntgenlaser.   Die theoretischen Grundlagen zum Laserprinzip wurden bereits 1917 von Albert Einstein in der Quantentheorie des Lichts aufgestellt, aber erst Jahrzehnte später in ihrer praktischen Bedeutung erkannt.

Theodore Harold Maiman konnte 1960 den ersten Laser, einen Rubinlaser, der tiefrotes Licht ausstrahlt, technisch realisieren. Heute existiert eine große Vielzahl verschiedenster Lasertypen, sodass nicht nur für den sichtbaren Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums geeignete Lasersysteme zur Verfügung stehen. Genau wie das von allen anderen Lichtquellen ausgesandte Licht, so ist auch Laserlicht eine elektromagnetische Strahlung, die sich in Wellenform ausbreitet. Zu den besonderen Eigenschaften des Lasers gehören:  Monochromasie und  Kohärenz.     1.1.

Monochromasie:   Herkömmliches weißes Licht zeigt, durch ein Prisma geschickt, ein Spektrum aus vielen Farben. Jede einzelne dieser Farben zeigt für sich ein relativ breites Band im Frequenzbereich. Bei der Laserstrahlung besitzen alle Wellenzüge nahezu die gleiche Frequenz bzw. nur eine einzige Wellenlänge. Laserlicht ist somit spektral schmalbandig bzw. einfarbig (monochromatisch).

Es gibt Laser, die prinzipiell nur eine einzige feste Frequenz ausstrahlen, und solche, bei denen sogar einzelne Wellenlängen mit extrem geringer Linienbreite innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs ausgewählt werden können (z.B. Farbstofflaser). Mittels in den Laser integrierter Prismen oder Gitter werden diese Wellenlängen herausgesucht (Wellenlängdurchstimmbarkeit). Besondere Techniken ermöglichen es, den Spektralbereich zu ergänzen oder auszudehnen. So kann die ausgestrahlte Laserfrequenz vervielfacht werden, wenn das Licht durch geeignete Kristalle geschickt wird.

Die Intensität des Laserlichtes wird dabei aber deutlich verringert.     1.2. Kohärenz:   Alle Wellenzüge der Laserstrahlung haben die gleiche Amplitude. Sie entstehen zur gleichen Zeit und bewegen sich im "Gleichschritt" in dieselbe Richtung fort, d.h.

, sie sind zeitlich und räumlich kohärent. Da sich die vielen parallelen Wellenzüge deckungsgleich, d.h. in Phase, überlappen, erhält man so bei Überlagerung (Interferenz) der Wellenzüge eine große Laserstrahlungsintensität. Diese phasengleiche Interferenz der Wellenzüge bedingt eine maximale Addition der Wellenberge (Amplituden).       1.

3. Hohe Intensität und Fokussierbarkeit   Aufgrund der räumlichen Kohärenz bewegen sich die Wellenzüge auch auf große Entfernungen nahezu parallel und erzeugen einen scharf gebündelten, intensiven Lichtstrahl. Seine räumliche Ausdehnung zeigt im Gegensatz zu der einer konventionellen Lampe (Taschenlampe) auch in der Ferne nur eine sehr geringe Strahlaufweitung (Strahldivergenz). Daher kann der Laserstrahl über längere Strecken in Lichtleitern geführt werden. Dies erlaubt eine flexible Strahlführung und exakte Positionierung des Strahls. Aufgrund der geringen Strahldivergenz ist es möglich, den Laserstrahl mit Linsen auf einen Punkt zu bündeln (fokussieren), dessen Durchmesser bis in die Größenordnung der Laserwellenlänge verkleinert werden kann.

Eine Eigenschaft, die besonders in der präzisen industriellen Materialbearbeitung (Bohren, Schneiden; -> Laser in der Fertigung) und in der Medizin (z.B. Laserskalpell; -> Laser in der Medizin) genutzt wird. Hierbei kommt den Anwendern neben der geringen Strahldivergenz die bereits relativ große Ausgangsintensität zugute, die durch Bündelung weiter gesteigert wird. Die Intensität der Strahlung wird außerdem durch die Betriebsart des Lasers bestimmt. Es gibt Lasersysteme, die kontinuierlich Strahlung aussenden und solche, die Licht in kurzen Pulsen ausstrahlen.

Im normalen Pulsbetrieb liegen die Pulsdauern bei 10 -3 s bis 10 -9 s. Beim Kohlendioxidlaser (CO2-Laser) sind beide Betriebsarten möglich. Im kontinuierlichen Betrieb (Dauerstrichbetrieb) werden mit diesem Laser Leistungen von einigen 10 kW und im Pulsbetrieb von 100 W bis 1012 W erreicht. Derart hohe Spitzenleistungen können allerdings nur mit zusätzlichen speziellen technischen Verfahren wie der so genannten Güteschaltung und Modenkopplung realisiert werden, bei denen die Ausgangsleistung durch Herabsetzen der Strahlungsdauer vergrößert wird. Auf diese Weise können heute extrem kurze, intensive Lichtpulse im Bereich von 10-12 s bis 10-15 s erzeugt werden.             1.

4. Das Laserprinzip   Das der Laserlichterzeugung zugrunde liegende Prinzip findet sich abgekürzt in den Anfangsbuchstaben des Wortes LASER wieder: light amplifikation by stimulated emission of radiation. D.h., eine Lichtverstärkung wird durch eine erzwungene Aussendung von Strahlung (stimulierte bzw. induzierte Emission) hervorgerufen.

Dieser Prozess wird durch die atomare Struktur der aktiven Medien, insbesondere der Energiezustände (Energieniveaus) bzw. der Elektronenverteilung innerhalb der Atome, bestimmt:   ►    Absorption: Um ein Elektron in ein höheres Energieniveau im Atom zu heben, muss es Energie aufnehmen (absorbieren). Bei der Anregung des Elektrons und damit des Atoms (z.B. durch Licht) muss die Frequenz des Photons (kleinstes Energieteilchen der elektromagnetischen Strahlung) genau der Energiedifferenz zwischen

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