laser

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Laser (/ ˈLɛɪzər /, også / ˈLeːzər / eller / ˈLaːzər /; Akronym for engelsk l ight A mplification av S timulated e misjon av R adiation, lysforsterkning ved stimulert emisjon av stråling ") refererer til både den fysiske effekt, og anordningen kan fremstilles med laserstråler.

Laserstråler er elektromagnetiske bølger . De skiller seg fra lyset fra en lyskilde som brukes til belysning, for eksempel en glødelampe , først og fremst i den ellers uoppnåelige kombinasjonen av høy intensitet , ofte et svært smalt frekvensområde ( monokromatisk lys ), skarpt fokus på strålen og lang koherenslengde . Med et veldig bredt frekvensområde er også ekstremt korte og intense strålepulser med en eksakt repetisjonsfrekvens mulig. [1]

Lasere har mange mulige bruksområder innen teknologi og forskning så vel som i hverdagen, fra enkle lyspekere (f.eks. Laserpekere i presentasjoner) til avstandsmålere , skjære- og sveiseverktøy , lese fra optiske lagringsmedier som CDer , DVDer og Blu- stråleskiver og meldingsoverføringlaserskalpel og andre enheter som bruker laserlys i daglig medisinsk praksis.

Lasere er tilgjengelige for stråling i forskjellige områder av det elektromagnetiske spekteret : fra mikrobølger ( maser ) til infrarødt , synlig lys , ultrafiolett og røntgenstråler . De spesielle egenskapene til laserstrålene stammer fra deres generering i form av et stimulert utslipp . Laseren fungerer som en optisk forsterker , vanligvis i resonant tilbakemelding . Energien som kreves for dette er levert av et lasermedium (f.eks. Krystall, gass eller væske) der det er en inversjon av populasjonen på grunn av ekstern energiinngang. Resonant tilbakemelding kommer vanligvis fra det faktum at lasermediet er plassert i en elektromagnetisk resonator for stråling av en bestemt retning og bølgelengde.

I tillegg til de diskrete energinivåene ved atomoverganger, er det også typer lasere med kontinuerlige energioverganger, for eksempel frielektronlaseren . Siden atomenerginivåer på mindre enn 13,6 eV er begrenset, tilsvarer dette en grense ved bølgelengden på 90 nm, og røntgenlaserne som opererer i røntgenstrålingsområdet med bølgelengder på mindre enn 10 nm krever design med kontinuerlige energioverganger .

Ulike fargede lasere
Demonstrasjonslaser: I midten kan du se gløden av gassutladningen som begeistrer lasermediet. Laserstrålen kan sees på høyre side som en rød prikk på den hvite skjermen.

Grunnleggende funksjoner

Grunnleggende ingredienser

Konseptuelt består en laser av tre komponenter:

Aktivt medium (lasermedium)
I det aktive mediet skaper den optiske overgangen mellom eksiterte atomer eller molekyler til en energisk gunstigere tilstand fotoner . Den sentrale betingelsen for et lasermedium er at en populasjonsinversjon kan produseres. Dette betyr at den øvre tilstanden til den optiske overgangen er mer sannsynlig å bli okkupert enn den nedre. Et slikt medium må ha minst tre nivåer og kan være gassformet (f.eks. CO 2 ), flytende (f.eks. Fargeløsninger) eller fast stoff (f.eks. Rubinkrystall , halvledermateriale ). [1]
pumpe
En populasjonsinversjon forårsake, må være i lasermediet energi pumpet ( engelsk pumping) er. For at denne pumpeprosessen ikke skal konkurrere med det stimulerte utslippet, må den være basert på en annen kvantemekanisk overgang. Pumping kan bringe atomene eller molekylene til lasermediet i eksiterte tilstander optisk ( bestråling av lys ) eller elektrisk (f.eks. Gassutladning , elektrisk strøm i laserdioder ). [1]
Resonator
En resonator består for eksempel av to parallelle speil som det aktive lasermediet befinner seg mellom. Fotoner hvis forplantning er vinkelrett på speilene forblir i resonatoren og kan derfor utløse (stimulere) utslipp av ytterligere fotoner i det aktive mediet flere ganger. Et foton skapt på denne måten tilsvarer i alle kvantetall den utløsende foton. Spontane fotoner som forlater resonatoren, for eksempel på tvers, har derfor en tendens til ikke å stimulere til ytterligere fotoner. Dette valget av resonatoren fører til en smal stråleretning for laserstråling. Noen resonatorer er også bølgelengdeselektive (dikroiske speil, Bragg-gitter) og kan derved ytterligere begrense de oscillerende langsgående modusene . I noen laser med høy forsterkning er en resonator ikke absolutt nødvendig for å oppnå stimulert utslipp (se superemittere ). [1]

funksjonalitet

Først flyttes atomer i lasermediet fra lavere energinivåer (f.eks. Jordtilstand ) til energisk høyere, dvs. eksiterte tilstander, av kraften som mates inn. Gjennomsnittlig forfallstid for de eksiterte tilstandene (vanligvis på grunn av spontan utslipp ) bør være så lang som mulig. Dermed forblir pumpenergien lagret der i "lengre" tid slik at en populasjonsinversjon kan bygges opp. Det er nå tilstrekkelig å stimulere et atom med et foton med energien som skal sendes ut, slik at det eksiterte atomet faller tilbake til sin grunnleggende tilstand og avgir en foton med samme energi (dvs. identisk bølgelengde og frekvens) og identisk fasestilling som stimulerende foton. Begge fotoner beveger seg i samme retning. Ved å doble det stimulerende fotonet fungerer lasermediet som en lysforsterker. Det "nyopprettede" andre fotonet kan deretter i sin tur stimulere andre eksiterte atomer til å avgi, og det oppstår en kjedereaksjon .

I tillegg til denne forsterkende effekten, er arrangementet plassert i en resonator (se nedenfor for laserresonator ), som er tilpasset den ønskede bølgelengden på grunn av dens dimensjoner. Hvis et foton passerer gjennom lasermediet flere ganger, har det nok sjanser til å stimulere andre atomer. Resonatoren er i utgangspunktet dannet av to speil i endene av arrangementet. Retningen til den genererte lysstrålen bestemmes til slutt av disse speilene. Det ene av de to speilene er delvis gjennomsiktig, slik at en del av lyset kan gå ut og brukes. [1]

historie

Albert Einstein beskrev stimulert utslipp som en reversering av absorpsjon allerede i 1916. I 1928 lyktes Rudolf Ladenburg i å bevise det eksperimentelt. Etter det var det lenge forvirret om effekten kunne brukes til å intensivere lysfeltet, siden en populasjonsinversjon måtte oppstå for å oppnå forsterkningen. Men dette er umulig i et stabilt to-nivå system. Først ble et tre-nivå system vurdert, og beregningene viste en stabilitet for stråling i mikrobølgeområdet, realisert i 1954 i Maser av Charles H. Townes , som avgir mikrobølgestråling . Etter det jobbet blant annet Townes og Arthur L. Schawlow med overføringen av maser -prinsippet til kortere bølgelengder. Optisk pumping ble introdusert av Alfred Kastler på begynnelsen av 1950 -tallet. På 1950 -tallet oppdaget de sovjetiske forskerne og nobelprisvinnerne Alexander Mikhailovich Prokhorov og Nikolai Gennadijewitsch Bassow uavhengig maser -prinsippet og optisk pumping, og Prokhorov foreslo implementering ved kortere bølgelengder i en rubinlaser i 1958. Den første laseren - en rubinlaser - ble fullført av Theodore Maiman 16. mai 1960. [2] [3] Den første gasslaseren, helium-neonlaseren , ble også utviklet i 1960 ( Ali Javan , William R. Bennett , Donald R. Herriott ).

Begrepet ble laget på slutten av 1950 -tallet [4] av Gordon Gould basert på burl; Gould brukte først begrepet i notene sine i 1957. Tidlige publikasjoner kalt laser eller optisk maser (optisk maser).

Videreutvikling førte deretter først til forskjellige gasslasere ( oksygen , nitrogen , CO 2- lasere , He-Ne-lasere [5] ) og deretter til farging av lasere (det laseraktive mediet er flytende) av Fritz P. Schäfer og Peter Sorokin (1966 ). En videreutvikling av krystallteknologier muliggjorde en meget sterk utvidelse av det brukbare spektralområdet. Avstembare lasere for å nærme seg en bestemt bølgelengde og bredbåndslasere som f.eks. For eksempel varslet titan-safirlaseren epoken med ultrakorte pulslasere med pulsvarighet på picosekunder og femtosekunder på 1980-tallet.

De første halvlederlaserne ble utviklet på 1960 -tallet ( Robert N. Hall 1962, Nick Holonyak 1962 i det synlige spektralområdet, Nikolai Bassow), men bare praktisk med utvikling av halvlederlasere basert på heterostrukturer (Nobelprisen for Herbert Kroemer , Schores Alfjorow ). På slutten av 1980 -tallet muliggjorde halvlederteknologi stadig mer holdbare, svært effektive halvlederlaserdioder som brukes med lav effekt i CD- og DVD -stasjoner eller i fiberoptiske datanettverk og nå brukes gradvis som pumpekilder med effekt opp til kW -området erstatter ineffektiv lampeeksitasjon av solid-state lasere.

På 1990 -tallet ble nye pumpegeometrier for høy lasereffekt implementert, for eksempel disk- og fiberlasere . På grunn av årtusenskiftet, på grunn av tilgjengeligheten av nye produksjonsteknikker og effekt på opptil 20 kW, ble sistnevnte i økende grad brukt i materialbehandling, der de delvis kan erstatte de tidligere vanlige typene (CO 2- lasere, lampepumpet Nd : YAG -lasere ). På slutten av 1990 -tallet var blå og ultrafiolette laserdioder klare for markedet ( Shuji Nakamura ).

På begynnelsen av det 21. århundre ble ikke-lineære effekter brukt for første gang for å generere attosekundpulser i røntgenområdet. Dette gjorde det mulig å følge de kronologiske prosessene inne i et atom. I mellomtiden har laseren blitt et viktig instrument innen industri, medisin, kommunikasjon, vitenskap og forbrukerelektronikk.

Fysiske grunnleggende

Det er et fast tall i det aktive mediet i resonatoren Atomer eller molekyler med flere, men alltid de samme energinivåene. To av disse nivåene, referert til som det lavere lasernivået og øvre lasernivå (der ), danner laserovergangen . Laserovergangen er den optiske overgangen hvis energiforskjell tilsvarer laserlysets frekvens. Forskjellen mellom antall partikler i den nedre delen og øvre lasernivå kalles "inversjon" og er avgjørende for laserens funksjon.

Det er to grunnleggende betingelser som må være oppfylt samtidig for at en laser skal fungere:

  1. (Befolkningsinversjon) - det må være flere partikler i overdelen enn i det nedre lasernivået.
  2. Hvis en resonator brukes, må forsterkningen av laserlyset på grunn av stimulert emisjon ved passering gjennom resonatoren være større enn tapene på grunn av absorpsjon , spredning og speiltap, spesielt frakoblingstap. Resonatorspeilene må ha en refleksjonsevne på mindre enn ett på minst én side slik at laserlys kan forlate laseren og kan brukes i det hele tatt. Denne frakoblingen av en del av laserlyset kalles frakoblingstap fordi denne delen ikke lenger bidrar til ytterligere forsterkning i lasermediet gjennom stimulert emisjon.

Hver overgang mellom de to nivåene tilsvarer utslipp eller absorpsjon av et foton med vinkelfrekvensen , der energiforskjellen mellom de to nivåene og er den reduserte handlingen fra Planck . En slik foton dannes under utslipp, og en tilsvarende foton går tapt under absorpsjon. Valget av lasermedium bestemmer lysets frekvens eller farge.

Den matematiske beskrivelsen av okkupasjonen foregår via spesielle koblede differensialligninger , såkalte rate-ligninger . Disse beskriver det tidsmessige forløpet av okkupasjonstilstandene, dvs. den tidsmessige endringen av og . Den nøyaktige formen for hastighetsligningene avhenger av hvor mange energinivåer i tillegg til de to lasernivåene som er tilgjengelige og brukte, så vel som av typen tilnærminger .

To-nivå system

Et system på to nivåer

To stabile energinivåer er ikke nok for konstruksjon av en laser, som vist nedenfor. Hensynet til to-nivå systemer gir imidlertid grunnlaget for betraktninger av lasermedier med mer enn to energinivåer der laseroperasjon er mulig. Et teoretisk to-nivå system ville pumpes direkte fra det nedre til det øvre lasernivået. For et to-nivå system er hastighetsligningene:

Det er Einstein -koeffisienten for spontan utslipp, Einstein -koeffisienten for absorpsjon eller stimulert utslipp og lysets intensitet i resonatoren. De individuelle begrepene står hver for absorpsjon eller utslipp av fotoner og dermed endringen i antall partikler i denne tilstanden. Som inversjon for laseroperasjon viktig, dannes også forskjellen mellom disse to hastighetsligningene og gjennom og bevaringsstørrelsen uttrykte:

Etter en viss tid vil det bli etablert en likevekt i okkupasjonene, hvorved den tidsmessige endringen av inversjonen blir forsvinnende liten ( fast punkt ). For å finne dette likevektspunktet, setter man Den resulterende ligningen kan deretter brukes iht bli omformet:

der kalt metningsintensiteten (indeksen står for "stasjonær"). Denne populasjonsinversjonen er alltid positiv, uansett hvor stor intensiteten er vil. Dette betyr at det alltid er færre partikler i det øvre lasernivået enn i det nedre. Derfor er populasjonsinversjon ikke mulig i et stabilt to-nivå system. Det er derfor umulig å konstruere en laser på denne måten.

Einstein -koeffisientene gir en klar forklaring. Så snart halvparten av alle partiklene i lasermediet er i det øvre lasernivået, er sannsynligheten for at et atom i det lavere lasernivået absorberer en foton like stor som sannsynligheten for at et atom i det øvre lasernivået avgir et foton gjennom stimulert utslipp. Den ekstra spontane utslipp sikrer at ikke engang denne teoretiske grensen er nådd.

System på tre nivåer

I tillegg til de to nivåene i to-nivå systemet, er det et annet energinivå i et tre-nivå system over det øvre lasernivået, så det gjelder . Denne gangen skjer pumpingen fra det lavere lasernivået til det nye nivået . For det tredje nivået er betingelsen også satt til at det er mye raskere i staten går over som til så det gjelder eller igjen . Denne raske overgangen skjer enten uten stråling eller via spontan utslipp. I analogi med tonivåsystemet er det også satt opp hastighetsligninger her:

I motsetning til to-nivå systemet er det ingen stimulert utslipp fra pumpeprosessen. Igjen kan disse hastighetsligningene oppnås ved å trekke fra og uttrykke dem gjennom og og påfølgende vurdering av likevektstilstanden kan transformeres til en ligning for okkupasjonen:

Denne ligningen blir negativ ( ) når tilstanden er oppfylt. Dette betyr at i et system med tre nivåer kan det være flere partikler i det øvre lasernivået, og derfor er populasjonsinversjon mulig. Forutsetningen er en høy intensitet av lyset i resonatoren. Laser på tre nivåer er dermed mulig.

System på fire nivåer

Med et fire-nivå system er det et ekstra energinivå sammenlignet med systemet på tre nivåer la til. Dette er plassert under det lavere lasernivået så det gjelder . Overgangen fra til har igjen som betingelse at det skjer veldig raskt. Dette endrer den omtrentlige tilstanden for det totale antall partikler til , og ligningen for rollebesetningen blir . Pumpeprosessen foregår her fra til . Rate -ligningene resulterer dermed i:

Også her er det mulig igjen og gjennom og å uttrykke så vel som å sette likevektstilstanden og etter å oppløse:

I dette tilfellet er okkupasjonen alltid negativ. Dette betyr at et eksternt eksitert firetrinnssystem er veldig godt egnet som lasermedium. Nesten alle moderne lasere er designet som fire- eller flernivåsystemer.

Laserresonator

Skjema for en laserresonator
Strålebane i den konfokale resonatoren

I en laser blir strålingen, som opprinnelig ble initiert av spontan utslipp, ledet gjentatte ganger gjennom området der befolkningsinversjon råder ved et passende arrangement av to speil. Et slikt arrangement kalles en optisk resonator eller laserresonator. Ved stadig å bevege seg frem og tilbake, kan tilstrekkelig forsterkning oppnås for å overskride laserterskelen . Laserterskelen kan bare overskrides hvis forsterkningen i resonatoren er større enn tapet (f.eks. På grunn av spontan utslipp, spredning og frakoblet effekt). I tillegg til populasjonsinversjonen, er denne tilstanden den andre grunnleggende forutsetningen for at en laser skal fungere.

I det enkleste tilfellet består en laserresonator av to speil, mellom hvilke strålingen reflekteres slik at banen gjennom lasermediet forlenges. Som et resultat kan et foton veldig ofte forårsake stimulert utslipp. Det ene av de to speilene er delvis gjennomsiktig og kalles et avkoblingsspeil eller avkobler . Dette sikrer at en del av strålingen kan forlate enheten som en laserstråle. Lasermedier med svært høy forsterkning kan også fungere med bare ett speil eller uten speil.

I resonatoren forsterkes bare frekvenser som oppfyller resonansbetingelsen , som følgende gjelder:

Det er et naturlig tall og resonatorlengden. Andre frekvenser blir kansellert av destruktiv interferens. En annen konstruksjon er ringresonatoren , der lyset passerer gjennom en lukket bane ved flere refleksjoner.

Kvaliteten på resonatoren (dvs. forholdet mellom stråling reflektert frem og tilbake til utgående stråling) må være spesielt høy når det gjelder medier med lav forsterkning. Et eksempel på dette er helium-neonlaseren . Resonatorkvaliteten kan ofte påvirkes på en tidsavhengig måte ved hjelp av optiske komponenter plassert i den, men også med hensyn til bølgelengden og den laterale stråleprofilen for å oppnå god strålekvalitet , frekvenskonstant og koherens samt puls utforming av laserstrålen. Slike komponenter er f.eks. B. membraner, optiske brytere ( kvalitetsbrytere ) eller frekvensselektive endespeil.

Med enkle resonatorer (speil - aktivt medium - speil) kan resonatorstabiliteten beregnes med de såkalte g -faktorene. De er definert som:

Her er og krumningsradiene til de to resonatorspeilene og den totale lengden på resonatoren. Stabilitetstilstanden er

[6]

En paraksial stråle forlater ikke resonatoren selv etter et antall refleksjoner. Hvis resultatet er 0 eller 1, er resonatoren kantlinjestabil. Et eksempel på dette er konfokalen ( ), halvkule ( ), konsentrisk ( ) eller plan-plan resonator ( ), som også er kjent som Fabry-Perot-resonatoren . I praksis er denne typen lasere svært vanskelige å justere og fungerer vanligvis bare fordi andre linseffekter leder resonatoren inn i stabilitetsområdet. En slik effekt kan for eksempel være en termisk linseffekt, der en termisk linse dannes av en temperaturgradient i resonatoren. Stabile resonatorer har en positiv effekt på strålekvaliteten og koherensegenskapene til laserstrålen. Ulempen er den dårlige utnyttelsen av lasermediet, siden lysstrålen treffer de samme partiklene igjen og igjen i stedet for spennende nye partikler.

Følgende gjelder for ustabile resonatorer eller . Diffraksjonstapene er veldig høye for disse, men ustabile resonatorer kan med fordel brukes med et lasermedium med stor diameter, siden disse genererer en jevn intensitetsfordeling i resonatoren. En forutsetning for dette er imidlertid et høyt forsterkningsnivå for lasermediet. Ustabile resonatorer brukes derfor mest i lasere som har høy forsterkning per resonatorsyklus og som høy utgangseffekt og mindre strålekvalitet er avgjørende for. Den asymmetriske konfokale ustabile resonatoren er av spesiell betydning fordi den gir en parallell utgangsstråle.

Siden en ikke ubetydelig del av energien som brukes blir omdannet til varme når laserstråling genereres, må det alltid sikres effektiv avkjøling av det laseraktive mediet ved utforming av laserresonatorer, spesielt i området med høy ytelse. Optiske effekter forårsaket av en temperaturgradient i det laseraktive mediet spiller også en stor rolle her, som en følge av hvilken brennpunktet i resonatoren avhenger av dens temperatur. Når det gjelder gasslasere, kan effektiv kjøling oppnås, for eksempel ved konstant å sirkulere gassen som brukes for å kjøle den utenfor den faktiske laseren. [7]

Langsgående moduser

Mulige bølgelengder mellom resonatorspeilene. Representasjon: amplitude som en funksjon av avstanden fra speilene
Langsgående lasermoduser med en gaussisk forsterkningsprofil i en resonator. Representasjon: amplitude som en funksjon av frekvens

Ulike bølgeformer kalles moduser . Begrepet langsgående er begrepet gitt til oscillasjonen langs strålingens forplantningsretning. Uttrykt figurativt er dette intensitetstopper og daler i en avstand på en halv bølgelengde. Med en noen centimeter lang He-Ne laser kan du telle rundt 600 000 intensitetsfjell mellom speilene, med en kort laserdiode bare noen få tusen.

Avhengig av utformingen forsterkes visse bølgelengder og multipler av dem spesielt av resonatoren, fordi det er en stående bølge mellom speilene bare for visse bølgelengder.

Bildet viser intensitetsfordelingen rundt grunnmodusen (gitt som gjennomsnittlig intensitet som en funksjon av frekvens ).

Følgende forhold gjelder for de mulige lysfrekvensene i en laserresonator:

,

er den tillatte frekvensen av -mote, lysets hastighet og resonatorlengden (avstand mellom resonatorspeilene). I denne formelen kan du erstatte frekvensen med det mer vanlige begrepet bølgelengde og få for de mulige bølgelengdene i en resonator:

En optisk resonator fungerer dermed som et kamfilter som forsterker eller svekker visse påfølgende frekvenser.

Durch gaußförmige Dopplerverbreiterung der an sich scharfen Emissionslinie entsteht die gaußförmige Einhüllende über eine gewisse Anzahl von „Kammzinken“. Auf Grund obiger Resonatoreigenschaft (und der wieder anschließenden Dopplerverbreiterung) werden mehrere Teillinien der Emissionslinie des aktiven Mediums im Resonator verstärkt. Die einzelnen im Resonator verstärkten Teillinien haben ein Lorentzprofil mit sehr geringen Linienbreiten wegen der großen Länge der Wellenzüge im Resonator, und weil bei der Resonanz Störeffekte wie der Doppler-Effekt in den Hintergrund treten. Somit erhält man das nebenstehende Spektrum mit mehreren Lorentz-Kurven (den sogenannten Lasermoden) mit einer gaußförmigen Einhüllenden. Da jedoch eine Mindestintensität nötig ist, damit im Resonator noch eine Verstärkung stattfinden kann, erhält man nur eine begrenzte Anzahl Moden, da Moden, die zu weit vom Linienschwerpunkt entfernt sind, zu wenig intensiv sind, um noch verstärkt zu werden.

Der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden ist:

Nach vier Reflexionen erreicht der Lichtstrahl den Startpunkt

Es kann sich auch ein Zustand einstellen, bei dem der Strahl zweimal durch den Resonator hin- und herlaufen muss, um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen. Dadurch wird die effektive Resonatorlänge verdoppelt, und die Modenabstände werden auf halbiert.

Die Halbwertsbreite der Maxima ist

Der dabei auftretende Faktor wird als Finesse bezeichnet und ist die entscheidende Kennzahl für Resonatoren, die das spektrale Auflösungsvermögen angibt. gibt den freien Spektralbereich des Resonators an. Die Finesse hängt bei Vernachlässigung der Verluste im Resonator nur vom Reflexionsfaktor der Spiegel ab:

Je nach verwendeten Spiegeln kann die Finesse Werte von etwa 10 bis zu mehreren 100.000 annehmen.

In vielen Anwendungen sind mehrere longitudinale Moden unerwünscht. Eine Verkürzung der Resonatorlänge, um nur eine Mode zu erzeugen, ergibt aber meist keinen Sinn, da dadurch nicht die gewünschte Lichtleistung erzielt werden kann. Man behilft sich, indem im Resonator ein sogenanntes Etalon eingebracht wird. Das Etalon stellt im Prinzip einen „Resonator im Resonator“ dar, welcher nur Wellen der gewünschten Mode verstärkt, andere Moden aber unterdrückt. Man spricht in diesem Fall von Monomode - oder Singlemode -Lasern (im Gegensatz zu Multimode -Lasern).

Transversale Moden

Feldstärke und Intensität eines Laserstrahls in der TEM 00 -Mode
TEM-Profile bei zylindrischen Resonatoren
Verschiedene Intensitätsprofile für einen Resonator mit rechteckigen Spiegeln (TEM xy )

Als transversale Moden bezeichnet man die Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bildet sich also eine Mode aus, die nicht den Raum senkrecht zu den Resonatorspiegeln ausfüllt, sondern etwas schräg verläuft, so wird der Licht- und Resonatorweg länger, und die Frequenz verschiebt sich etwas. Dieses führt einerseits zum Konkurrieren um angeregte Mediumsmoleküle zwischen den verschiedenen Frequenzen (Mode Competition), andererseits können sich so stehende Wellen ausbilden, die Knotenlinien innerhalb des Laserprofils aufweisen. Ob und wie sie in einem Laserstrahl vorkommen, lässt sich durch optische Bauelemente wie Polarisationsfilter oder diffraktive optische Elemente bestimmen.

Die Art der transversalen Moden hängt von der Konstruktion des Lasers ab:

  • Bei Verwendung ebener Reflektoren treten TEM -Moden auf, das heißt, in Ausbreitungsrichtung besitzt die elektromagnetische Welle keine elektrischen oder magnetischen Komponenten. Das trifft auch für die Lichtausbreitung im Freiraum zu.
  • Die Mehrzahl der Laser verwendet gekrümmte Spiegel, dann treten fast immer Hybrid-Moden auf, die auch in Ausbreitungsrichtung elektrische und magnetische Komponenten besitzen.

(In Hohlleitern mit metallischer Hülle beobachtet man auch reine TE- bzw. TM-Moden, weil in der Hüllfläche elektrische Ströme fließen können.)

Bei zylindrischem Querschnitt des Lasers hat die Strahlintensität im Idealfall ein Gauß-Profil; diese Mode wird als TEM 00 -Mode bezeichnet ( siehe auch: Moden#Weitere akustische Moden ). Es können aber auch andere Profile mit Winkel- und radialen Abhängigkeiten auftreten, die sich durch Laguerre-Polynome berechnen lassen. Ist diese Zylindersymmetrie durch Polarisationsfilter oder Brewster-Fenster gestört, treten rechteckige Symmetrien auf, die durch Hermitesche Polynome berechnet werden. Abhängig von der Anzahl ihrer Knotenlinien in horizontale und vertikale Richtung werden sie als TEM xy -Mode bezeichnet. Für diese Moden ist teilweise der Lichtweg durch den Resonator bis zum Ausgangspunkt anders, das heißt, die Resonatorlänge erscheint verändert. Dies kann zu einer Verfälschung der Longitudinalmodenspektren führen, indem sich die Spektren verschiedener Transversalmoden überlagern.

Eigenschaften von Laserstrahlung

Charakteristische Eigenschaften eines Laserstrahls eines Impulslasers (Messungen vom PHELIX -Hochenergielaser am GSI in Darmstadt ):
1. Nahfeld mit Füllfaktor und Energiedichte ,
2. Strahlqualität im Fernfeld,
3. Pulsdauer und spektrale Breite ( Linienbreite )

Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser-Resonators bestimmt, insbesondere spielen dabei die Geometrie des aktiven Mediums und die Spiegelanordnung eine wichtige Rolle. Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. zu manipulieren ( Brillanz , Intensität , Richtung , Frequenz , Polarisation , Phase , Zeit ). Eine allgemeine Aussage über die Strahleigenschaften ist daher nicht möglich. Es ist auch nicht richtig, dass ein Laserstrahl immer ein enggebündelter Strahl mit geringer Frequenzbreite sein muss, wofür er allerdings oft gehalten wird. Je nach Zielsetzung ist eine Erzeugung derartiger Strahlen aber durchaus möglich. Eine herausragende, allgemeine Eigenschaft stellt jedoch die Möglichkeit zur starken Bündelung dar, mit der sehr hohe Leistungsdichten erzielt werden können. Die laterale Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlen ist bei guter Strahlqualität ein Gaußprofil ( Gauß-Strahl ).

Generell kann man zu den Strahleigenschaften sagen, dass Laserstrahlen sich gegenüber gewöhnlichen Lichtquellen durch viele Unterschiede auszeichnen, die im Folgenden genannt werden.

Kohärenz

Bei einer normalen Glühlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet, sondern auch in unbestimmter Phasenlage zueinander. Bei einem Laser dagegen sind die Wellen jeweils fast phasensynchron zueinander. Die Wellen sind über mehr oder weniger lange Strecken ( Kohärenzlänge ) fast phasengleich, was man sich zum Beispiel in der Holografie zunutze macht.

Polarisation

Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (schräge Umlenkspiegel und Brewster-Fenster , geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meistens linear. Oft ist das erwünscht, um polarisationsabhängige Kopplung und Strahlteilung durchführen zu können. Beim Schneiden von Metallen tritt jedoch insbesondere bei der linear polarisierten CO 2 -Laserstrahlung im Schneidspalt eine polarisationsabhängige Absorption auf, was eine schlechte und richtungsabhängige Schnittkantenqualität zur Folge hat. Daher wird beim Metallschneiden mit zirkularer Polarisation gearbeitet, die durch phasendrehende Verzögerungsplatten im Strahlengang des Laserstrahls erzielt wird.

Frequenz, Wellenlänge

Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das aktive Medium und dessen zum Lasern geeignete Energieübergänge bestimmt. Es gibt Stoffe, die auf vielen Wellenlängen zum Lasern angeregt werden können – jedoch meistens bei einer Wellenlänge besonders gut. Laser können sehr schmalbandige Strahlquellen sein, die Verstärkungsbandbreite (beim Kohlenstoffdioxidlaser zum Beispiel 9 bis 11 µm) ist jedoch meist höher als die Bandbreite der abgegebenen Strahlung – entweder schwingt der Laser von selbst im Maximum der Verstärkungsbandbreite (beim Kohlendioxidlaser zum Beispiel 10,6 µm) an oder man sorgt durch frequenzbestimmende Elemente für eine schmalbandige Emission auf einer einzigen Frequenz. Extreme Schmalbandigkeit ist z. B. bei der interferometrischen Längenmessung mittels Lasern von Bedeutung. Bei extremer Breitbandigkeit spricht man von Superkontinuum -Lasern, welche z. B. in der optischen Kohärenztomographie und zur Erzeugung von Frequenzkämmen eingesetzt werden. Die minimal erreichbare Bandbreite wird durch die fundamentale Laser-Linienbreite [8] beschrieben. Das Schawlow-Townes-Limit [9] ist eine vierfache Näherung dieser fundamentalen Laser-Linienbreite. [8]

Lasertypen nach der Signalform

Dauerstrich

Ein Dauerstrichlaser ist ein Laser, der im Gegensatz zu Pulslasern eine Lichtwelle konstanter Intensität abstrahlt.

Laserstrahlung von Dauerstrichlasern ( englisch continuous-wave laser, cw-laser ) ist im Idealfall schmalbandig (monochrom, einfarbig), dh, sie besteht nur aus Strahlung einer Wellenlänge . Insbesondere ist Dauerstrich-Laserstrahlung aus stabilen Laserresonatoren aufgrund des Vielfachumlaufes zeitlich bzw. longitudinal (entlang seiner Ausbreitungsrichtung) kohärent, was bedeutet, dass die ausgesandten Wellenzüge nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch in der Phase über eine lange Strecke (die Kohärenzlänge ) konstant sind. Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgeprägte Interferenzerscheinungen . [1]

Während des Einschwingvorgangs des Dauerstrich-Lasers tritt zunächst oft Spiking auf, eine unregelmäßige Abgabe von Laserpulsen. Dieses Verhalten nutzt ein modengekoppelter Laser gezielt aus, indem er die Spikes z. B. triggert oder synchronisiert.

Pulse

Im Gegensatz zum Dauerstrichlaser erzeugt ein gepulster Laser pulsierende Strahlung. Pulse können durch gepulste Anregung oder auch durch Maßnahmen im Laser selbst ( Güteschaltung ) erzeugt werden. Bei sehr kurzen Pulsen benötigt das aktive Medium prinzipiell eine größere Verstärkungsbandbreite, innerhalb derer die beteiligten Frequenzen gekoppelt sind (Modenkopplung) und sich zu einem Impuls zusammensetzen. Je kürzer die Pulsdauer, desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fourier-Analyse das erzeugte Spektrum und umso breiter muss das Frequenzband sein, innerhalb dessen das aktive Medium verstärken kann. Die geringsten erzielbaren Pulsdauern liegen in der Größenordnung von Femto- und Attosekunden (→ Femtosekundenlaser ). [1]

Laser können sich auch selbst zur Abgabe einer Pulsfolge synchronisieren, wenn im Resonator zum Beispiel ein nichtlinearer (sättigbarer) Absorber vorhanden ist. Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse in einem solchen Laser erzeugt werden, hängt ua bei der instantanen Kerr-Linsen -Modenkopplung ( englisch Kerr lens mode locking , ein Verfahren zur Erzeugung einer stabilen Pulsfolge von Pulsen geringer Dauer) von der Resonatorlänge ab: Bei einem Resonator mit einer Länge von einem halben Meter beträgt diese etwa 300 MHz – die Periodendauer entspricht einem Hin- und Herlaufen (Umlauf) des Pulses im Resonator. Die Spitzenleistung wird bei jedem Umlauf größer, die Pulsdauer bleibt von allein sehr gering. Aus solchen Pulslasern werden zum Beispiel einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstärkt. Mit weiteren Maßnahmen gelingt es, Spitzenleistungen bis in den Petawatt -Bereich zu erzeugen, die nur im Vakuum ungestört übertragen und fokussiert werden können. Luft wird von der hohen elektrischen Feldstärke des Lichts ionisiert .

Die Gütemodulation ( Q-switching ) des Resonators mit akustooptischen Güteschaltern oder Pockelszellen sind weitere Techniken zur Erzeugung energiereicher Laserpulse mit geringer Dauer: Dabei wird die stimulierte Emission zunächst unterbunden, um sie dann bei inzwischen durch das Pumpen gestiegener Besetzungsinversion (hohe, im aktiven Medium gespeicherte Energie) schlagartig zu ermöglichen.

Einteilung anhand des Lasermediums

Grobe Einteilung von Lasertypen
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Laser
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gas
 
 
 
 
 
 
 
 
Farbstoff
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ionen
 
Metalldampf
 
neutrales
Nichtmetall
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Festkörper
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Halbleiter
 
Farbzentrum
 
Dotierte
Nichtleiter
Übersicht über Wellenlängen von im Handel erhältlichen Lasern. Lasertypen mit diskreten Laserlinien sind oberhalb der Leiste der Wellenlängen eingetragen. Die Farbe gibt die Art des Lasermaterials an.

Laser werden oftmals anhand der Eigenschaften des eingesetzten optischen Lasermediums kategorisiert und benannt. Die gröbste Einteilung erfolgt dabei anhand des Aggregatzustandes .

Wichtige Gaslaser sind beispielsweise der bei 632,8 nm emittierende Helium-Neon-Laser und der bei 10,6 μm emittierende Kohlendioxidlaser . Spezielle Klassen der Gaslaser sind Excimerlaser , bei denen das Lasermedium ein Excimer -Molekül ist, und Metalldampflaser , bei denen das gasförmige Lasermedium zuerst durch Verdampfen von Metall gewonnen werden muss.

Laser mit flüssigem Lasermedium werden als Farbstofflaser bezeichnet. Diese Laser kennzeichnen sich durch eine sehr große, kontinuierliche und abstimmbare Bandbreite an Wellenlängen. Bei den eingesetzten Farbstoffen handelt es sich in vielen Fällen um Stilbene , Cumarine und Rhodamine .

Die Gruppe der Festkörperlaser beinhaltet Laser, deren Lasermedium Kristalle sind. Dabei kann es sich unter anderem um dotiertes Glas , Yttrium-Aluminium-Granat und andere Wirtskristalle oder Halbleiter handeln. Wichtige Beispiele sind der Nd:YAG-Laser , die Laserdiode und der Titan:Saphir-Laser . Häufig verwendete Dotanden sind Titan , Chrom und Neodym . Für die Form der Festkörper existieren viele Möglichkeiten, wie z. B. der Stablaser , Slablaser , Faserlaser und der Scheibenlaser . Eine besondere Form der Festkörperlaser sind die Farbzentrenlaser , die ähnlich funktionieren, aber Farbzentren zur Erzeugung der Laserübergänge nutzen.

Eine besondere Form ist der Freie-Elektronen-Laser (FEL). Er ist eine Synchrotronstrahlungsquelle , die gerichtete Strahlung im Mikrowellenbereich bis in den Röntgenbereich emittiert. Ein FEL ist allerdings kein Laser im eigentlichen Sinne, da die Strahlung nicht durch stimulierte Emission in einem Lasermedium erzeugt wird.

Anwendungen

Eine Laserharfe
Laserbeschriftetes Schaltkreis -Gehäuse aus Keramik ; Zeichenhöhe ca. 1,34 mm

Laser werden in sehr vielen Lebens- und Arbeitsbereichen, Forschungs- und Industriezweigen und medizinischen Aufgabenfeldern verwendet. Folgende Abschnitte geben einen groben Überblick über die wichtigsten Einsatzgebiete der Lasertechnik.

Alltag und Unterhaltung

Laser haben Einzug in vielen Bereichen des täglichen Lebens gefunden. In jedem Laserdrucker und allen optischen Laufwerken , wie beispielsweise CD- , DVD- und Blu-ray-Disc -Spieler, befinden sich Laserdioden.

Laserpointer enthalten schwache Laser mit sichtbaren Wellenlängen. In Diskotheken und Lasershows werden Laser mit bis zu mehreren Watt Ausgangsleistung zu Lichteffekten eingesetzt. Bei der sogenannten Laserharfe wird ein aufgefächerter Laserstrahl als Eingabegerät zum Ansteuern von Musikinstrumenten benutzt. In Planetarien werden Laser vereinzelt als Projektoren eingesetzt. Eine Variante ist der „ All Dome Laser Image Projector “, wie er zum Beispiel im Planetarium Jena verwendet wird. In Barcodelesegeräten werden teilweise Laser zum Abtasten der Strichcodes verwendet.

Datengewinnung und -übertragung

Ein bedeutendes Einsatzgebiet von Diodenlasern und Faserlasern ist die Datenübertragung mittels Lichtwellenleitern . Der optische Richtfunk ist zwar möglich, aber wegen der Störanfälligkeit wenig verbreitet. Die Datenübertragung zwischen Satelliten oder Raumfahrzeugen mittels Laser ermöglicht aufgrund der höheren Frequenz eine weit höhere Datenrate als die bisher üblichen Radiowellen. Insbesondere als Relais wurde die Technik bisher eingesetzt, beispielsweise von Artemis . Die Kommunikation zur Erde mit Laser ist durch die Atmosphäre behindert. Die zugehörige Technologie befindet sich noch in der Erprobungsphase, könnte aber in Zukunft eine größere Rolle spielen.

Weitere Anwendungen sind die Holografie und das Laserscanning zur Objektvermessung oder in Nivelliergeräten .

Industrie und Materialbearbeitung

In der Industrie und der Fertigungstechnik werden Laser für verschiedene Fertigungsverfahren (DIN 8580) eingesetzt. Sie werden hierzu an einer Laserbearbeitungsmaschine oder einem Laserscanner betrieben. Laser eignen sich zum Umformen , Trennen , Fügen , Beschichten und Ändern von Stoffeigenschaften verschiedener Materialien, wie Holz, Kunststoff, Papier und Metallen.

Zu den wichtigsten Verfahren gehören das Lasersintern , die Stereolithografie , das Laserstrahlbiegen und laserunterstützte Biegen , das Laserschneiden und -bohren , die Laserablation , das Lasertrimmen , Laserstrahlschweißen , -auftragschweißen und -löten, die Laserbeschriftung , das Laserspritzen und Laserstrahlverdampfen , das Laserpolieren .

Weiterhin können mit Lasern Strukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich auf fotosensitive Materialien geschrieben werden. Mittels mikrofotolithografischer Systeme werden im Direktschreibverfahren hochaufgelöste Vorlagen (Masken) für verschiedene Anwendungen erzeugt, die z. B. mittels breitbandiger Hochleistungslaser in der Produktion auf die endgültigen Materialien umkopiert werden. Andere Anwendungen schließen das Direktschreiben von Strukturen auf Silizium - Wafern in niedrigen Stückzahlen oder das Schreiben von Strukturen auf fotoempfindlichen Filmen (z. B. Dehnungssensoren ) ein. Auf diese Weise lassen sich Bildschirmmasken , Leiterplatten , integrierte Schaltkreise und Sensoren herstellen.

Medizin

In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsächlich in der Diagnose eingesetzt, z. B. bei der Messung von Blutstrom ( Flowmetrie ) und -zirkulation. Es existieren auch Low-Level-Lasertherapiegeräte zur Wund- und Schmerzbehandlung.

In der Augenheilkunde wird Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt, wobei Wellenlänge, Einwirkzeit (Expositionszeit) und Energie die physikalische Reaktion und Eindringtiefe beeinflussen. Der Argon-Laser wird genutzt, um mit seinen thermischen Effekten Koagulation (z. B. bei diabetischer Retinopathie, Thrombosen) deren Gefäßneubildungen zu verhindern oder Retinopexie (Verschweißung von Gewebeschichten bei Netzhautloch oder Netzhautablösung) durchzuführen. Der Neodym-YAG Laser und femto-LASER verursacht durch den hervorgerufenen hochenergetischen ultrakurzen Suprapuls eine präzise eng umschriebene Gewebezerreißung (Photodisruption) und der Excimer-Laser durch das ihm eigene Phänomen der Gewebeverdunstung (Photoablation/Sublimation) eine Umgestaltung der Hornhaut-Oberfläche (z. B. PRK oder LASIK) zur Beseitigung der Fehlsichtigkeit. Die Femtosekundenlaser-Kataraktoperation ist eine neue Methode in der Chirurgie des Grauen Stars ( Katarakt ), die bei einigen wichtigen Schritten während dieses Eingriffs von besonders hoher Präzision ist. [10] Darüber hinaus sind mit dem Laser dreidimensionale bildgebende Verfahren möglich wie optische Coherenz-Tomographie (OCT) oder online-Pachymetrie, optische Pfadmessung und Fotodokumentation aller Augenstrukturen mit einer Auflösung im Mikrometerbereich.

In der Chirurgie , Gefäßchirurgie und Phlebologie wird der Laser hauptsächlich im Bereich Endoskopie oder als Laserskalpell eingesetzt. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung von defekten Venen ( Krampfadern ). Hierbei kann der Laser endovenös (Laser-Lichtleiter wird in die Vene eingebracht) angewendet werden. Dieses Laser-Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch „ Stripping “. Die Laser-Behandlung ist in vielen Fällen schonender und ambulant durchführbar.

In der Dermatologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen. Blutgefäße können durch Laser bestimmter Wellenlängen koaguliert werden. Pigmentflecken können mit Hilfe ablatierender (= schälender) Laser abgetragen oder selektiv zerstört werden. Subkutanes (= unter der Haut gelegenes) Pigment kann mit Hilfe eines ultrakurz gepulsten Lasers zerstört und damit entfernt werden, ohne die Hautoberfläche stark zu verletzen. Durch Verwendung von langgepulsten Lasern können Haarwurzeln durch Epilation dauerhaft zerstört werden. Laser werden auch zur gezielten Behandlung entzündlicher Hauterkrankungen, vorrangig der Psoriasis ( Schuppenflechte ), eingesetzt. Oberflächliche Unebenheiten der Haut (Knötchen, Fältchen) werden mit zur kosmetischen Verbesserung des Hautbildes geglättet (Resurfacing). Durch Laserlicht können auch selektiv dermale Anteile erwärmt werden, was in erster Linie dem Kollagenaufbau zur Straffung der Haut dienen soll („Subsurfacing“).

In der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde werden Laser zur Abtragung von Veränderungen an den Stimmbändern bei der Mikrolaryngoskopie verwendet, außerdem zur Teilabtragung der Mandeln ( Tonsillotomie ) und von Tumoren in Mund und Rachen (z. B. beim Zungenkarzinom). Bei der Operation wegen Otosklerose werden Laser zur Perforation der Steigbügel -Fußplatte verwendet.

In der Zahnmedizin können Laser für den Abtrag von Zahnhartsubstanz („Bohren ohne Bohrer“) oder in der Parodontologie (Keimreduktion und Konkremententfernung in entzündeten Zahnfleischtaschen ) verwendet werden. Diodenlaser werden in der Zahnmedizin für chirurgische Eingriffe, z. B. Lippenbändchenentfernung, für die Keimreduktion in der Endodontie (Wurzelkanalbehandlung) oder für die Zahnaufhellung (Bleaching) verwendet. Vorteile der Laserbehandlung gegenüber der konventionellen Methode sind, dass der Patient weniger Schmerzen hat, die Setzung von Nähten teilweise überflüssig wird, es weniger blutet, da die Wunde verödet ist und die behandelte Stelle gleichzeitig dekontaminiert (keimfrei) wird. Zum Teil sind allerdings bessere Studien mit einem höheren Evidenzgrad erforderlich, um den Nutzen des Lasers einzuschätzen. [11]

In der Krebstherapie wird er für die photodynamische Therapie eingesetzt; in der Urologie zur Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen und der Prostata . Die Lasermikrodissektion ist ein Verfahren zur Gewinnung von kleinsten Proben aus Gewebsschnitten oder Zellkulturen.

Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen ua die Versuche, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen.

Die Sicherheitsbestimmungen für medizinisch genutzte Laser werden in der EN 60601-2-22 behandelt.

Mess- und Steuerungstechnik

Eine Reihe von präzisen Messgeräten für Entfernungen und andere Größen funktionieren mit Lasern. Sie werden beispielsweise beim Tunnelbau , im Bauwesen und zur Vermessung der Maschinengeometrie bei Werkzeugmaschinen und Anlagen verwendet.

Weitere Messgeräte, die auf Lasern beruhen, sind Kohärenzradar , optische Abstandsmessungen perLight detection and ranging (Lidar) und Laserpistolen , lasergestützte Brandmelder , elektronische Specklemuster-Interferometrie (ESPI) zur Formerfassung, Lasermikrofone , Laserextensometer , Laser-Doppler-Anemometrie und Particle Image Velocimetry zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten , Laser-Doppler-Vibrometer zur berührungsfreien Schwingungsmessung, Laser surface velocimeter , Laser-Wolkenhöhenmesser in der Meteorologie und Laserkreisel .

Energietechnik

Laser können zur Uran-Anreicherung zwecks Gewinnung von Kernbrennstoff verwendet werden.

Militär

Beim Militär und in der Rüstungsindustrie werden Laser wie im Alltag zur Kommunikation und zu Messzwecken eingesetzt, aber zusätzlich auch als Waffen oder waffenunterstützende Technik verwendet. Dazu zählen Zielhilfen für lasergelenkte Bomben und Raketen sowie zur Erzeugung von Zielmarkierungen an Handfeuerwaffen (beispielsweise an der AM180 ), „Lasergewehre“ zum vorübergehenden Blenden [12] und Hochenergielaser zur Raketenabwehr (Laserkanonen) (siehe auch Energiewaffe und Weltraumwaffe ).

Hochleistungs-Laseranlagen im Wellenlängenbereich um 1 Mikrometer dienen als „Treiber“ in Anlagen zur Trägheitsfusion wie beispielsweise der National Ignition Facility .

2014 wurde von der US Navy die erste Laserwaffe ( englisch Laser Weapon System , kurz LaWS) auf der USS Ponce in Betrieb genommen. In veröffentlichten Videos wird die Waffe an unbemannten Flugobjekten und Schlauchbooten getestet, die nach kurzer Zeit anfangen zu brennen. 2018 wurde die russische Laserwaffe Pereswet in Dienst gestellt, die Drohnen, Flugzeuge und Raketen bekämpfen soll.

Wissenschaft und Forschung

In der modernen Forschung der Physik , Chemie und Biologie und ihrer jeweiligen Teilgebiete sind Laser eines der wichtigsten Hilfsmittel. In der Laserspektroskopie werden Laser zur Laserkühlung und Bestimmung von Energieniveaus in Atomen und Molekülen , zur Dichtemessung in Gasen und Plasmen oder zur Bestimmung von Materialeigenschaften eingesetzt. Spezielle laserspektroskopische Verfahren sind beispielsweise die Atomspektroskopie , die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy die Raman-Spektroskopie und die nichtlineare Raman-Spektroskopie . Effekte, wie sie die nichtlineare Optik vorhersagt, können nur mit Lasern erzielt werden. Isotopentrennungen , wie AVLIS und MLIS , sind ebenfalls nur mit Lasern möglich.

In der Geodäsie dienen Laser zur Vermessung der Erde und der Plattentektonik , beispielsweise mittels Tachymeter , Lasertracker , Kanallaser , Satellite Laser Ranging und LaserDisto .

Die optische Pinzette und das Zwei-Photonen-Mikroskop sind Anwendungen der Zellforschung .

In der Astronomie werden Laser zur genauen Justierung optischer Bauteile und Instrumente sowie zur Beobachtung von Raumobjekten eingesetzt. Dazu zählen Laserteleskope , Laser- Theodoliten und - Zielfernrohre sowie die Vermessung der Mondbewegung mittels Lunar Laser Ranging .

In der superauflösenden Mikroskopie mit dem STED-Mikroskop , für die Stefan Hell im Jahr 2014 (mit anderen) den Nobelpreis für Chemie erhielt, werden zwei konfokale Laserstrahlen eingesetzt, um Bereiche von nur wenigen Atom-Durchmessern abrastern zu können.

Homogenisierung

In manchen Anwendungen ist ein räumlich homogenes Profil nötig. Der Laserstrahl kann dann homogenisiert werden, zum Zwecke der Schaffung einer möglichst ebenmäßigen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung über den gesamten Bearbeitungsfleck. [13] Ein anfänglich zum Beispiel vorliegendes Gauß-Profil der Intensitätsverteilung soll dabei in ein fast- Rechteckprofil mit möglichst geringer Inhomogenität überführt werden. Häufiger möchte man jedoch unregelmäßige und instabile Strahlprofile homogenisieren. Das Ziel ist die gleichmäßige Ausleuchtung einer Fläche zum Beispiel zur Wärmebehandlung.

Gefahren

Gefahren für die Gesundheit

Warnzeichen vor Laserstrahlen nach DIN EN ISO 7010

Laser können aufgrund der Eigenschaften ihrer Strahlung und aufgrund ihrer z. T. extrem konzentrierten elektromagnetischen Leistung biologische Schäden verursachen. Daher sind Laser je nach Laserklasse mit genormten Warnhinweisen zu versehen. Dabei werden Bereiche der Wellenlängen und Einwirkzeiten unterschieden, die zu charakteristischen Verletzungen und Verletzungs-Schwellwerten der Leistungs- oder Energiedichte führen.

Anwender und Anlagenbauer müssen direkte, indirekte (unbeabsichtigt gerichtet reflektierte ) und Streustrahlung (unbeabsichtigt diffus reflektierte ) hinsichtlich dieser Grenzwerte berücksichtigen.

Mögliche Schäden:

  • Bei der medizinischen Anwendung von Lasern kann es zur Entzündung vorhandener oder gebildeter Gase kommen.
  • Laser im Ultraviolettbereich verursachen neben den genannten Schäden auch fotochemische Veränderungen des Gewebes. Dazu gehören Erscheinungen ähnlich einem Sonnenbrand mit dem Risiko einer Krebsentstehung sowie Trübungen der Hornhaut, der Augenlinse und des Glaskörpers.
  • Bei der Lasermaterialbearbeitung entstehen durch Pyrolyse und Verdampfung teilweise hochgiftige Gase, Stäube und Aerosole, die abgesaugt und gefiltert werden müssen.
  • Laserstrahlen im Nahinfrarot-Bereich (um 1000 nm) oder deren Streustrahlung dringen tief unter die Haut vor und können im Unterhautgewebe schmerzlose, schlecht heilende Verbrennungen verursachen.
  • Verbrennungen im Auge: Bereits bei relativ geringen Leistungen (wenige Milliwatt ) einer Wellenlänge, für die das Auge transparent ist (etwa 350 bis 1200 nm) treten im ungeschützten Auge partielle Erblindungen durch Netzhautschäden auf, da der parallele Laserstrahl durch die Augenlinse auf der Netzhaut fokussiert wird. Auch Streustrahlung stärkerer Laser dieses Wellenlängenbereiches ist gefährlich. Schäden werden oft nicht bemerkt, sondern erst vom Augenarzt entdeckt.
  • Verbrennung von Auge und Haut: Treffen Laserstrahlen oder deren Streustrahlung einer Wellenlänge, für die Haut und Hornhaut nicht transparent sind (ab etwa >1400 nm), auf, kommt es bei entsprechender Leistungsdichte zu oberflächlichen Verbrennungen oder Verkohlungen.

Die Gefährdung durch Laserstrahlung an Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung wird oft nach der Maschinenrichtlinie beurteilt und ergibt auf dem Risikograph meistens die bisherige Kategorie 4 beziehungsweise die Sicherheitsanforderungsstufe 3 (auch Sicherheits-Integritätslevel 3, kurz SIL-3).

Sachschäden

Laserstrahlen können bei ausreichender Leistung oder Fokussierung Brände und Explosionen auslösen. Hochbrillante Laser zur Materialbearbeitung können bei Versagen der Steuerung (zum Beispiel eines Roboters) auch an weit außerhalb ihrer Fokusebene liegenden Bauteilen oder Wandungen Schäden verursachen.

Gefahren-Prävention

Jede Einrichtung in Deutschland, die Laser ab der Klasse 3R benutzt, muss eine unterwiesene Person, einen Laserschutzbeauftragten , benennen, der/die die Gefahren und die sichere Verwendung von Lasern kennt und überwacht.

Die vollständige Abschirmung der Strahlung der Laser mittels einer Umhausung der Maschine oder des Experimentes ist oft nicht möglich. Zugangstüren müssen daher elektrisch überwacht oder zugehalten werden, solange der Laser gefährliche Strahlung abgeben kann. Auch Lichtgitter können zur Absperrung angewendet werden, wenn die Streustrahlung ausreichend gering ist.

Beobachtungsfenster und Schutzbrillen erlauben bei geringer Streustrahlung oft eine Beobachtung, während der Laser eingeschaltet ist, und bestehen aus Filtermaterialien , die für sichtbare Wellenlängen zumindest teilweise transparent, für die spezielle Laserwellenlänge jedoch intransparent sind.

Laserklassen

Lasergeräte werden entsprechend der schädlichen biologischen Wirkung von Laserstrahlung in Klassen eingeteilt. Maßgeblich für die nationalen und internationalen Laserklassen ist dabei die Definition von Grenzwerten, bei denen keine Schädigung zu erwarten ist. Neben der amerikanischen ANSI -Norm gibt die International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection Grenzwerte im Spektralbereich zwischen 400 und 1400 nm heraus. [14]

Maßgeblich ist bei nichtionisierender Strahlung die thermische Leistung pro Fläche sowie die spezifischen wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften des Gewebes (Haut sowie Retina, Hornhaut, Glaskörper und Linse des Auges). Durch die Fokussierung der Augenlinse ist die Gefährlichkeit im sichtbaren und besonders im angrenzenden infraroten Bereich erhöht.

Oberhalb von 1,4 µm Wellenlänge wird die Strahlung großflächig in der Hornhaut absorbiert. Sie bietet einen Schutz für die Retina des Auges. Jedoch reduziert sich die Absorptionstiefe auf weniger als 0,1 mm bei 3 µm Wellenlänge, weshalb es zu Schäden in der Hornhaut kommen kann. Aus diesem Grund heißt der Wellenlängenbereich von 1,5 bis 2 µm augensicher ( englisch eye safe ).

Unterhalb 1,4 µm sind Hornhaut, Haut und darunter liegendes Gewebe im Bereich 1200 nm (Nahinfrarot) bis rot (700 nm) teiltransparent, sodass hier tiefreichende Schädigungen auftreten können, deren Entstehung aufgrund dort nicht vorhandenen Wärmeempfindens oft nicht bemerkt werden. Auch Netzhautschäden durch Laser-Strahlung im Nahinfrarot werden oft nicht bemerkt und erst durch für entsprechende Arbeitsplätze vorgesehene ärztliche Augenuntersuchungen entdeckt.

Bei Wellenlängen unterhalb von etwa 400 nm werden organische Molekülbindungen zerstört, die Absorptionstiefe im Gewebe verlagert sich mit kürzerer Wellenlänge an die Oberfläche von Haut und Auge. Es treten auch bei geringen thermischen Leistungsdichten Linsen- und Hornhauttrübungen sowie Schädigungen der Haut vergleichbar einem Sonnenbrand auf. Dementsprechend sind die Grenzwerte der Leistungsdichte bei diesen kurzen Wellenlängen geringer als beispielsweise im mittleren Infrarot.

Die Klasseneinteilung von Lasergeräten und -anlagen erfolgt anhand maximal auftretender Leistungs- bzw. Energiedichten, je nachdem, ob es sich um kontinuierliche oder Pulslaser handelt. Dabei ist auch die Expositionsdauer und die Wellenlänge maßgebend.

Klassifizierung nach DIN EN 60825-1

Maximale cw-Leistungen für Laser der Klassen 1, 2, 3R und 3B gemäß EN 60825-1:2007.
Die angegebenen Leistungen gelten nur für punktförmige Quellen und stark kollimierte Laserstrahlung. Bei ausgedehnten Quellen und divergenter Strahlung sind höhere Leistungen zulässig.
Ein vorschriftsgemäß nach EN 60825-1 klassifizierter Laser.

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 VDE 0837 (→ unten) darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden.)

Klasse Beschreibung
1 Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, oder der Laser befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse
1C Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich für das Auge, aber in besonderen Fällen gefährlich für die Haut. [15]
1M Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
2 Die zugängliche Laserstrahlung liegt nur im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s) auch für das Auge ungefährlich.
2M Wie Klasse 2, solange keine optischen Instrumente wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
3R Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge.
3B Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut. Diffuses Streulicht ist in der Regel ungefährlich. (Laser von CD-/DVD-Brennern; Laserstrahlung allerdings nicht direkt zugänglich)
4 Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Beim Einsatz dieser Laserstrahlung besteht Brand- oder Explosionsgefahr . (Materialbearbeitung, Forschungslaser)

Anmerkung zu Laserklasse 2 und 2M: Eine wissenschaftliche Untersuchung [16] ergab, dass der Lidschlussreflex (dieser tritt innerhalb 0,25 s auf; eine längere Bestrahlung schädigt das Auge) nur bei ca. 20 % der Testpersonen gegeben war. Vom Vorhandensein des Lidschlussreflexes kann daher nicht als Regelfall ausgegangen werden.

Anmerkung zur Leistung: Bei Lasern, die ausgedehnte Lichtquellen darstellen und/oder divergente Strahlung abgeben, können weit höhere Leistungen zulässig sein als bei kollimierten Lasern derselben Klasse. So wird z. B. auf Seite 67 von EN 60825-1:2007 das Beispiel B.3.2 angegeben, bei dem eine stark divergente 12-mW-Laserdiode (Wellenlänge 900 nm) nach Klasse 1M klassifiziert wird.

Klassifizierung nach DIN VDE 0837

Bis März 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDE 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebräuchlich.

Klasse Beschreibung
1 entspricht der Klasse 1 nach EN 60825-1
2 entspricht der Klasse 2 nach EN 60825-1

Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 1M eingestuft.

3a Die zugängliche Laserstrahlung wird für das Auge gefährlich, wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird. Ist dieses 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 meistens in Klasse 2M oder 3R eingestuft.
3b entspricht der Klasse 3B nach EN 60825-1
4 entspricht der Klasse 4 nach EN 60825-1

Literatur

Weblinks

Commons : Laser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Laser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. a b c d e f g Patrick Voss-de Haan:Laser. In: spektrum.de. 1998, abgerufen am 7. November 2019 .
  2. FK Kneubühl, MW Sigrist: Laser. 3. Auflage. Teubner, 1991, S. 4.
  3. TH Maiman: Stimulated Optical Radiation in Ruby. In: Nature. 187, 4736, 1960, S. 493–494.
  4. R. G Gould: The LASER, light amplification by stimulated emission of radiation . In: The Ann Arbor Conference on Optical Pumping . 1959.
  5. A. Javan, WR Bennet, DR Herriot: Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture. In: Phys. Rev. Lett. 6, 1961, S. 106–110.
  6. J. Eichler, HJ Eichler: Laser – Bauformen, Strahlführungen, Anwendungen . 7. Auflage. Springer Verlag, 2010, S. 275, Gleichung (13.31)
  7. T. Graf: Laser. Grundlagen der Laserstrahlquellen. 1. Auflage. Vieweg+Teubner, 2009, S. 189ff.
  8. a b M. Pollnau, M. Eichhorn: Spectral coherence, Part I: Passive resonator linewidth, fundamental laser linewidth, and Schawlow-Townes approximation . In: Progress in Quantum Electronics . In press, Nr. Journal Pre-proof, 2020, S. 100255. doi : 10.1016/j.pquantelec.2020.100255 .
  9. AL Schawlow, CH Townes: Infrared and optical masers . In: Physical Review . 112, Nr. 6, 1958, S. 1940–1949. doi : 10.1103/PhysRev.112.1940 .
  10. Burkhard Dick, Ronald D. Gerste, Tim Schultz: Femtosecond Laser in Ophthalmology. Thieme, New York 2018, ISBN 978-1-62623-236-5 .
  11. Metastudie der Cochrane Library
  12. Non-Lethal Ocular Disruptor. – grüner Blendlaser. In: alfalight.com (PDF)
  13. Homogenisierung von Laserstrahlen (PDF; 567 kB).
  14. Revision of Guidelines on Limits of Exposure to Laser Radiation of Wavelengths between 400 nm and 1.4 mm. (PDF; 1,7 MB) International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, 30. März 2000, abgerufen am 14. Dezember 2017 (englisch).
  15. Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN EN 60825-1 (VDE 0837-1):2015-07 . Hrsg.: DIN und VDE. Berichtigung 3 Auflage. Beuth Verlag, Berlin 19. Juni 2014, S.   23, 31   f .
  16. H.-D. Reidenbach, K. Dollinger, J. Hofmann: Überprüfung der Laserklassifizierung unter Berücksichtigung des Lidschlussreflexes . In: Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin . Fb 985. Wirtschaftsverlag NW, Bremerhaven 2003, ISBN 978-3-89701-968-3 (Zusammenfassung in Abwendungsreaktionen des Menschen gegenüber sichtbarer Laserstrahlung (PDF; 120 kB).).