Einleitung – Die Entdeckung des Lasers und seine Bedeutung

Im Jahr 2010 feierte der Laser sein 50-jähriges Bestehen. Seitdem hat der Laser Einzug in alle möglichen Bereiche menschlichen Handelns gehalten. Seine Hauptanwendungsbereiche liegen in der Industrie, der Medizin, der Wissenschaft und Forschung, der Elektronik, der Unterhaltungsindustrie sowie auch in ganz „alltäglichen“ Dingen wie Laserpointern, Computer-CD-ROMs usw. In dieser Serie möchten wir daher die Leser nach und nach in die Thematik der Laser und ihrer Anwendungen einführen, wobei der Schwerpunkt auf industriellen Laseranwendungen liegt.

Das Grundprinzip des Lasers

Das Wort LASER ist eine Abkürzung für „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ aus dem Englischen L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation . Ein Laser bezeichnet somit im Allgemeinen einen optischen Verstärker, der elektromagnetische Strahlung (Licht) durch den Prozess der stimulierten Emission von Photonen erzeugt, der auf den Gesetzen der Quantenphysik und der Thermodynamik beruht.

Ein allgemeines Schema eines Lasers ist in der Abbildung unten dargestellt. Die Grundlage eines Lasers bildet ein aktives Medium, das auf irgendeine Weise angeregt wird (optisch, elektrisch usw.). Durch die Anregung wird dem Laser Energie zugeführt, die dann eben durch den Prozess der stimulierten Emission in Form eines Laserstrahls abgestrahlt wird. Dazu ist es noch erforderlich, einen sogenannten optischen Resonator zu schaffen, der meist aus reflektierenden Spiegeln besteht.

Wie wird also die in den Resonator eingebrachte Energie in einen Laserstrahl umgewandelt?

Allgemein lässt sich sagen, dass das aktive Medium immer ein Element , das sich entweder im Grundzustand mit niedrigerer Energie oder in einem angeregten Zustand mit höherer Energie befinden kann. Bei diesem Element handelt es sich meist um ein Atom, aber nicht immer (es kann sich z. B. Schwingungszustand eines Moleküls, eine chemische Bindung usw.). Für den Moment ist es wichtig zu wissen, dass dieses Element beim Übergang vom höheren in den niedrigeren Energiezustand ein Photon ( ein Quant elektromagnetischer Strahlung ). Dieser Strahlungsübergang erfolgt spontan von selbst, und das System strebt stets danach, sich in einem Zustand mit möglichst niedrigerer Energie zu befinden – im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts. Gerade durch die Anregung brechen wir diesen Zustand auf und versetzen das aktive Medium in einen angeregten Zustand, in dem sich die Mehrheit unserer Elemente in einem Zustand mit höherer Energie befindet (dieser Zustand wird als Populationsinversion bezeichnet).

Erst in diesem Moment können wir die dem aktiven Medium zugeführte Energie mithilfe des Prozesses der stimulierten Emission, der in der Abbildung unten dargestellt ist, in einen Laserstrahl (Strom von Photonen) umwandeln. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Lawineneffekt, bei dem ein auf ein angeregtes Atom auftreffendes Photon dessen Übergang vom oberen in das untere Energieniveau bewirkt (stimuliert) und dabei ein weiteres Photon emittiert wird.

Während sich die Photonen durch den Resonator von einem Spiegel zum anderen bewegen, nimmt ihre Anzahl rapide zu, und es kommt zu einem Lawineneffekt und zur Freisetzung von Energie in Form eines Photonenstroms (Laserstrahl) – siehe Abbildung unten:

Einzigartige Eigenschaften des Laserstrahls

Was macht den Laserstrahl so einzigartig? Entscheidend ist, dass bei der stimulierten Emission das einfallende und das emittierte Photon dieselbe Energie (Frequenz), dieselbe Richtung, Polarisation und Phase haben. Daraus ergeben sich die drei grundlegenden Eigenschaften des Lasers, die ihn von anderen Strahlungsquellen unterscheiden. Der Laserstrahl ist:

  1. kollimiert (d. h., er breitet sich nicht aus)
  2. monochromatisch („einfarbig“, d. h., die erzeugten Photonen haben dieselbe Frequenz bzw. Wellenlänge )
  3. kohärent (die erzeugten Photonen sind sowohl zeitlich als auch räumlich in Phase)

Das Gegenteil davon ist beispielsweise eine klassische Glühlampe, die Strahlung völlig „chaotisch“ erzeugt und Photonen ausstrahlt, die in alle Richtungen streuen, unterschiedliche Wellenlängen aufweisen und eine zufällige Phase haben.

Gerade dank dieser Eigenschaften ist der Laser zu einem so wertvollen Hilfsmittel in so vielen verschiedenen Anwendungen geworden. Bei industriellen Anwendungen wird vor allem die Möglichkeit genutzt, den Laserstrahl auf einen kleinen Punkt zu fokussieren und so eine hohe Energieflächendichte zu erreichen, die für die Bearbeitung des jeweiligen Materials (Schneiden, Schweißen, Markieren, Härten usw.) erforderlich ist. In anderen Anwendungen, wie z. B. der Holografie, ist vor allem die Eigenschaft der Kohärenz von Bedeutung usw.

Grundlegende Einteilung von Lasern

Am häufigsten wird die Einteilung der Laser nach der Art des aktiven Mediums vorgenommen:

Gaslaser

Als aktives Medium dient hier ein Gas, das auf verschiedene Weise angeregt werden kann – elektrisch, durch Hochfrequenzwellen , optisch usw. Typische Vertreter sind beispielsweise der HeHe-Laser (Helium-Neon-Laser) und der CO 2 -Laser, der in der Industrie bei Schneidanwendungen sehr bekannt ist.

Festkörperlaser

Das aktive Medium ist ein Festkörper, meist ein Einkristall. Die Anregung erfolgt meist optisch, entweder durch Entladungslampen oder Laserdioden. Ein typischer Vertreter ist der Nd:YAG (das Medium ist ein Einkristall aus Yttrium-Aluminium-Granat, dotiert mit Neodym-Atomen). Nd:YAG wird in der Industrie hauptsächlich zum Laserschneiden, Markieren und Schweißen eingesetzt.

Faserlaser

Eine spezielle Art von Festkörperlasern, bei denen das aktive Medium aus einem optischen Faserkern besteht, der meist mit Erbium- (Er) oder Ytterbium- (Yr) Atomen dotiert ist. Die Anregung erfolgt über Laserdioden, deren Strahlung wiederum über eine optische Faser in die aktive Faser geleitet wird. Es handelt sich um eine sogenannte Faser-Faser- Architektur, wodurch der Laser keine optomechanischen Elemente wie Spiegel usw. enthält. Die Leistungen erreichen heute bis zu 40 kW. Derzeit handelt es sich um die modernste Technologie für das industrielle Schneiden, Schweißen und Markieren, und der Marktanteil von Faserlasern steigt stetig an.

Halbleiter- (Dioden-)Laser

Als aktives Medium dient eine elektrisch gepumpte Halbleiterdiode. Diodenlaser decken einen Leistungsbereich von mW bis kW ab. Diese Laser weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, leiden jedoch unter einer geringen Qualität des Ausgangsstrahls. Sie können miniaturisierte Abmessungen aufweisen (niedrige Leistungen) und werden in CD-/DVD-Playern, Laserdruckern usw. eingesetzt. Hochleistungs-Diodenlaser werden in der Industrie vor allem zum Schweißen (von Metallen und Kunststoffen) und zum Härten eingesetzt.

Chemische Laser

Diese Laser werden durch eine chemische Reaktion angeregt und sind in der Lage, in kurzer Zeit enorme Energiemengen abzugeben. Vor allem das Militär hat Interesse an ihnen für militärische Zwecke.

Excimer-Laser

Eine spezielle Klasse von Gaslasern, die durch elektrische Entladung angeregt werden. Das aktive Element, das die Strahlung erzeugt, ist ein sogenanntes Excimer (ein spezielles Molekül, bei dem sich einer der Bestandteile im angeregten Zustand befindet). Diese Laser arbeiten im ultravioletten (UV) Bereich und werden hauptsächlich in der Fotolithografie in der Halbleiterindustrie sowie in anderen Anwendungen, in denen Wellenlängen aus dem UV-Bereich und hohe Energie pro Impuls benötigt werden.

Farbstofflaser

Als aktives Medium wird ein organischer Farbstoff verwendet. Der Vorteil dieser Laser liegt in ihrer Abstimmbarkeit – sie können bei mehreren Wellenlängen strahlen. Sie finden vor allem in Wissenschaft und Forschung Anwendung.

Weitere mögliche Einteilungen von Lasern

Eine weitere mögliche Einteilung von Lasern erfolgt nach der Art des Ausgangsstrahls. Hier gibt es die grundlegende Unterscheidung zwischen Dauerstrich- (CW) und gepulste Laser . Ein CW-Laser erzeugt eine kontinuierliche Ausgangsleistung (insbesondere zum Schneiden, Härten usw.), ein gepulster Laser hingegen erzeugt Laserpulse. Gepulste Laser werden weiter nach der Art der Pulserzeugung unterteilt. In der Industrie wird am häufigsten das sogenannte Q-Schalten verwendet, bei dem der Laser Impulse mit einer Dauer im nanosekundenbereich erzeugt (vor allem zum Markieren, Gravieren) oder mittels Impulsanregung (z. B. durch Entladungslampen) mit Impulsen im ms-Bereich (für das Laserschweißen).

Eine besondere Klasse bilden die sogenannten ultraschnellen ( ultrafast ) Laser , die Impulse im Bereich von ps und fs (bis zu 10 -15 s!), die in der Industrie aufgrund ihres Preises bislang noch nicht sehr verbreitet sind, jedoch für die Zukunft ideal für Mikrobearbeitungsanwendungen sind.

Fazit

Wir hoffen, dass diese Informationen zum Verständnis des Grundprinzips von Lasern und ihrer wichtigsten Einteilung vorerst ausreichen, und im nächsten Teil der Serie werden wir uns ausführlicher mit den wichtigsten Typen von Industrielasern und ihren Anwendungen befassen.