Das Wort LASER ist die Abkürzung für Light amplification by

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"Pont" <joerg.pont@univie.ac.at>
Laser
Das Wort LASER ist die Abkürzung für Light amplification by stimulated emission of
radiation. Zu deutsch bedeutet das Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von
Strahlung.
Aufbau und Funktionsprinzip:
Ein Laser besteht aus dem Laserkopf und dem Laserversorgungsteil. Der Laserkopf umfaßt
das Lasermaterial (gegebenenfalls mit der Anordnung, die dieses Material zusammenhält, z.B.
für den Fall, daß das Lasermedium nicht stabil ist) und den Resonator, der auf die
Wellenlänge des Lasers abgestimmt ist. Der Resonator besteht aus mindestens zwei Spiegeln,
die das Licht durch das Lasermaterial (=Lasermedium) senden und somit den Laserstrahl
produzieren. Außerdem enthält der Laserkopf noch eine Vorrichtung, die die zugeführte
Energie in das Lasermedium lenkt und dieses damit anregt.
Das Laserversorgungsteil ist bei den meisten kleineren Lasern ein einfaches Netzteil für die
Steckdose. (So auch beim Schullaser in Kalksburg).
Wie entsteht nun aber der Laserstrahl?
1. Als erstes wird die über das Netzteil zugeführte Energie dazu verwendet, das Lasermedium
anzuregen (das Fachwort für diesen Prozeß lautet "pumpen"). Dieses kann auf vielerlei Art
geschehen, zwei Beispiele sind eine Gasentladung (bei Gaslasern) oder durch einen
anderen Laser (z.B.: Farbstofflaser). Genau betrachtet, bedeutet das Pumpen nichts anderes,
als daß ein oder mehrere Elektronen in eine höhere Umlaufbahn um das Atom gebracht
werden.
2. Nun wird das von einer Bogen- oder Blitzlampe eingestrahlte Licht mittels des
Resonatorapparates durch das Lasermedium gelenkt.
3. Sobald das Licht auf die Atome, Ionen oder Moleküle des Mediums trifft, werden dies zum
Aussenden von Strahlung gezwungen. Durch die vorher zugeführte Energie ist der
austretende Strahl energiereich: ⇒ Laserstrahlung tritt aus!
Laserstrahlen erzeugt man also durch erzwungene (= induzierte) Lichtemission. Deren
Kennzeichen sind:
• ein sehr hoher Grad der Gleichphasigkeit des Austritts der Laserstrahlwellen aus der
Austrittsfläche.
• eine nahezu konstante, für jeden Lasertyp charakteristische, Frequenz und Wellenlänge.
Verschiedene Arten von Laser:
Je nachdem, welchen Stoff (Lasermedium) man anregt, unterscheidet man zwischen:
1) Gaslaser: Atomare und molekulare Gase können durch elektrische Entladungen zur
Emission von Licht angeregt werden. Dies wird in den Gaslasern ausgenutzt. Man
unterscheidet:
Atomare Laser (He-Ne-Laser, Metalldampflaser)
Infrarot-Moleküllaser (CO2-Laser)
Ionenlaser (Argonlaser)
Ultraviolett-Moleküllaser (Excimer-, N2-Laser)
(Chemische Laser - besitzen nur geringe Bedeutung)
Atomare Laser:
1
a) He-Ne-Laser: Der Helium-Neon-Laser ist der am häufigsten verwendete und der
wirtschaftlichste Laser. Die Leistung kommerzieller Typen reicht von unterhalb 1mW bis zu
einigen 10mW und ist damit relativ gering, reicht aber für viele Anwendungen (zum
Vergleich: die Lichtleistung einer 60W-Glühbirne beträgt etwa 1 Watt; die Intensität, d.h. die
Helligkeit einer bestrahlten Fläche, eines 1mW-Lasers mit einem Strahldurchmesser von etwa
1mm, ist aber um viele Zehnerpotenzen höher, da der Laser nur auf einen Punkt zielt, während
die Glühbirne in alle Richtungen strahlt). Der He-Ne-Laser strahlt rotes Licht, es gibt aber
auch Versionen in den Farben orange, gelb und grün und welche im infraroten Bereich.
Letztere werden aber zunehmend durch Diodenlaser verdrängt. Die Wellenlänge des He-NeLasers liegt zwischen 3391nm (infrarot) und 543nm (grün).
Im Kollegium Kalksburg wird ein rot strahlender He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von ca.
633nm verwendet.
b) Metalldampflaser: Eine höhere Leistung als die He-Ne-Laser besitzen die neutralen
Metalldampflaser. Die wichtigsten Vertreter sind der Kupfer- und der Golddampf-Laser. Die
Wellenlängen liegen im gelben und grünen (Cu) sowie im roten und ultravioletten (Au)
Bereich. Die Leistungen gehen bis in den 10W-Bereich. Beide Laser haben einen hohen
Wirkungsgrad (bis 1% für Cu) sowie eine Arbeitstemperatur um 1500°C, bei der geringe
Mengen des Metalls verdampfen. Sobald dies geschieht, wird ein Edelgas unter geringem
Druck zugesetzt und eine gepulste Gasentladung gezündet. Durch die Elektronen der
elektrischen Entladung werden die Metallatome angeregt, so daß sie Laserstrahlung emittieren
können. Die Pulsfolgefrequenz von einigen kHz kann so hoch sein, daß ein kontinuierlicher
Eindruck entsteht. Kontinuierlicher Betrieb (Dauerstrichbetrieb) ist wegen der langen
Lebensdauer des unteren Laserniveaus nicht möglich.
Eigenschaften von kommerziellen Cu- und Au-Lasern:
Wellenlänge
mittlere Leistung
Pulsenergie
Pulsdauer
Spitzenleistung
Pulsfrequenz
Strahldurchmesser
Strahldivergenz
Einheit
Nanometer (nm)
Watt (W)
Millijoule (mJ)
Nanosekunden (ns)
Kilowatt (kW)
Kilohertz (kHz)
Millimeter (mm)
Radianten (rad)
Cu-Laser
510,6 / 578,2
60
10
15…60
< 300
5…15
40
0,6.10-3
Au-Laser
627,8
10
2
15…60
50
6…10
40
0,6.10-3
Infrarot-Moleküllaser:
CO2-Laser: Der Kohlendioxid-Laser ist einer der wichtigsten Laser für industrielle
Anwendungen. Er zeichnet sich durch eine hohe Leistung im kontinuierlichen Betrieb (bis zu
100kW) und einen großen Wirkungsgrad (10-20%) aus. Für wissenschaftliche und
medizinische Anwendungen gibt es Versionen mit geringerer Leistung bis herunter zu 1W. Im
Pulsbetrieb können Laserpulse im Bereich von ns bis ms erzeugt werden. Für Anwendungen
in der Kernfusion wurden Pulsenergien bis etwa 100kJ erreicht. Es gibt eine größere Anzahl
konstruktiver Varianten des CO2-Lasers, die alle ihre technische und kommerzielle Bedeutung
haben. Die Wellenlänge des CO2-Lasers liegt zwischen 9µm und 11µm. Das Lasergas ist ein
Gemisch aus CO2, Stickstoff (N2) und einem Zusatz von etwa 70% Helium. Das Edelgas dient
zur Stabilisierung der elektrischen Entladung im Laserrohr und der Stickstoff zur
Energieübertragung auf die CO2-Moleküle. Das Gasgemisch wird durch das Laserrohr
2
gepumpt, da in der Entladung unerwünschte chemische Reaktionsprodukte entstehen (wie
z.B.: Kohlenmonoxid). Werden zur Oxidierung von CO zu CO2 Katalysatoren, ähnlich wie im
Auspuff eines Automotors verwendet, kann das Laserrohr abgeschlossen werden. Die
Anregung der oberen Laserniveaus in CO2 geschieht durch Stöße mit N2 und Elektronen.
Ähnlich wie der CO2-Laser funktioniert der seltenere CO-Laser, der bei 5µm strahlt.
Ionenlaser:
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Edelgasionenlasern und Metalldampfionenlasern
(Cd, Se). Bei allen Ionenlasern handelt es sich um Gasentladungslaser, ähnlich den neutralen
Atomlasern.
Ein Ion ist ein Atom, bei dem ein oder mehrere Elektronen aus den äußeren Bahnen abgelöst
ist. Das Ion ist folglich positiv geladen, wobei die Ladung einer oder mehrerer
Elementarladungen (1,602 . 10-19As) entspricht. Die verbleibenden Elektronen können wie in
einem Atom angeregt werden und Laserlicht emittieren. Da zu jedem Atom mehrere Ionen
gehören ergibt sich durch deren Existenz eine Vielzahl von zusätzlichen Laserlinien.
Edelgasionenlaser: Mit den ionisierten Edelgasen Ne, Ar, Kr und Xe wurde in
Gasentladungen auf über 250 Linien im Spektralbereich von 175nm bis etwa 1100nm
Lasertätigkeit erzielt. Je höher der Ionisationszustand ist, desto kürzere Wellenlängen
entstehen.
a) Argonlaser: Der Argonionenlaser, welcher Leistungen von 60W (ultraviolett) bis 100W
(Blaugrün) liefern kann, stellt einen der wichtigsten kommerziellen Lasertypen dar. Die
Gasentladung wird mit einem so hohen Strom betrieben, daß bei einem beträchtlichen Anteil
der Atome jeweils ein Elektron weggerissen wird: Aus dem Atom entsteht ein Ion. Das Ion im
angeregten Zustand ist für die Emission der Laserstrahlung verantwortlich. Die Strahlung des
Argonlasers liegt im grünen und blauen Spektralbereich. Die einzelnen Farben können durch
Drehen eines Prismas im Resonator eingestellt werden. Die typischen Strahlleistungen
betragen einige Watt, wofür eine elektrische Leistung von mehreren Kilowatt aufgewendet
werden muß. Wegen der hohen Stromdichten ist die Technologie der Argonlaser kompliziert.
An die Werkstoffe werden hohe thermische Anforderungen gestellt und um das
wassergekühlte Laserrohr wird eine Spule gewickelt, die ein achsiales Magnetfeld erzeugt.
Dadurch wird der Entladungsstrom in der Rohrmitte gehalten.
Ähnlich ist der Kryptonlaser aufgebaut, der rote Strahlung liefert. Vermischt man Argon und
Krypton und erzeugt einen Laserstrahl, entstehen verschiedene Farben zwischen rot und blau.
Metalldampfionenlaser: Neben den Edelgasionenlasern existieren zahlreiche weitere Gaslaser,
die auf Übergängen in Ionen beruhen. Technische Bedeutung hat allerdings bisher nur der HeCd-Laser, ein Metallionenlaser. Da Metall verdampft wird, handelt es sich um einen Gaslaser.
b) He-Cd- und He-Se-Laser: Kontinuierliche Emission vom infraroten bis zum ultravioletten
Spektralbereich kann mit Cadmium- und Selen-Ionen erreicht werden. Zur Anregung des
Laserniveaus und zum Betrieb der Gasentladung enthalten diese Laser zusätzlich Helium. Aus
Übergängen in Cd-Ionen werden 11 Laserlinien von 887,7nm bis 325,0nm und in Se-Ionen 46
Laserlinien von 1258,6nm bis 446,8nm beobachtet. Die Anregung des Cadmiums bzw. des
Selens gelingt in einer Glimmentladung mit Helium in Entladungsgefäßen aus Quarzglas oder
in Hohlkatodenentladungen. Im ersten Fall wird der Metalldampfdruck durch Heizen (Cd:
350°C, Se: 270°C) eines Metallreservoirs in der Nähe der Anode erzeugt. Durch die
entladungsbedingte Drift der Metallionen zur Kathode stellt sich im Entladungsrohr ein
gleichmäßiger Metalldampfdruck von etwa 8Pa ein.
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Die aktive Länge der Entladungsrohre beträgt bis zu einem Meter. Die Rohre haben einen
Radius von etwa 1mm oder mehr. Bei einem Heliumdruck von etwa 800Pa sind zum Betrieb
des He-Cd-Lasers etwa 150mA und zum Betrieb des He-Se-Lasers 500mA Entladungsstrom
notwendig.
Kommerziell werden He-Se-Lasern mit 1-5mW Ausgangsleistung im Spektralbereich von
460-650nm vertrieben. Die gewünschten Wellenlängenbereiche werden durch entsprechende
Spiegel eingestellt. Die Ausgangsleistung kommerzieller He-Cd-Laser beträgt bei 325nm 1-8
mW und bei 441,6nm bis zu 60mW. Durch gleichzeitigen Betrieb der roten, grünen und
blauen Linien kann weiße Laserstrahlung erzeugt werden. Die Lebensdauer abgeschmolzener
He-Cd-Laser beträgt 6000 Stunden oder mehr (UV-Betrieb: etwa die Hälfte). Die Begrenzung
der Lebensdauer erfolgt meist durch Verunreinigung der Entladung, Cd-Niederschläge an der
Optik oder anderen Stellen, sowie Gasaufzehrung des Heliums. Der Wirkungsgrad von etwa
0,01% liegt bei dem des He-Ne- und Ar-Lasers. Die Laser sind in der Regel luftgekühlt. Der
He-Cd-Laser kann dort eingesetzt werden, wo die Farbe des He-Ne-Lasers nicht richtig oder
die Leistung etwas zu klein ist.
Ulraviolettmoleküllaser:
Gepulste Lasertätigkeit im ultravioletten Spektralbereich wird bei Übergängen zwischen
Elektronenenergieniveaus in Molekülen erzielt. Dabei werden vorwiegend zweiatomige
stabile Moleküle wie H2, N2 und Excimere als aktive Medien eingesetzt. Excimere sind
Moleküle, die nur kurzzeitig im angeregten Zustand existieren und nach Übergang in den
Grundzustand schnell zerfallen.
Wellenlängen der wichtigsten UV-Moleküllaser:
Molekül
XeF
351…353
N2
337
XeCl
308
Br2
291
XeBr
282
KrF
248
KrCl
222
ArF
193
CO
181…197
ArCl
175
Xe2
172
H2, D2, HD
150…162
F2
158
Kr2
146
Ar2
126
Wellenlänge in nm
Excimerlaser (Excimer = Abkürzung für excited dimer, zu deutsch "angeregtes zweiatomiges
Molekül"):
Edelgase gehen keine stabilen chemischen Verbindungen ein, daher tragen sie das Attribut
edel. Bringt man jedoch ein Edelgas (Neon, Argon, Krypton, Xenon) mit aggressiven
Molekülen wie Chlor, Fluor oder Brom in einem Behälter zusammen und zündet durch
Anlegen einer elektrischen Spannung eine Gasentladung, so entstehen für kurze Zeiträume
Moleküle wie Argonfluorid (ArF). Diese Moleküle existieren nur im angeregten Zustand und
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auch so nur für circa 10-8s (0,00000001 s). Sie zerfallen unter Aussendung von intensivem
Laserlicht in den Grundzustand, den es eigentlich nicht gibt (d.h. ArF zerfällt in Ar und F).
Das ausgesandte Laserlicht liegt im UV-Bereich, und wird für viele Anwendungen in
Wissenschaft, Materialbearbeitung und Medizin verwendet. Die Laser können
verständlicherweise nur gepulst (10 bis 100 Pulse) arbeiten, da die Excimersubstanzen durch
ihren schnellen Zerfall keinen Dauerstrichbetrieb zulassen. Ihre Leistung liegt circa bei 10
Watt, bei Sonderausführungen für Materialbearbeitung wurden schon mehrere 100 Watt
erreicht.
Der Aufbau von Excimerlasern erweist sich als äußerst kompliziert, da es durch die
Aggressivität der Halogene (F, Cl, Br) zu Materialproblemen kommt. Nach einer Betriebszeit
von nur wenigen Stunden muß das Gemisch aus dem Laser abgepumpt werden und es erfolgt
eine neue Füllung. Die allerneuesten, vor allem in Deutschland entwickelten, Modelle
besitzen abgeschlossene Rohre, bei denen kein Gasaustausch notwendig ist.
N2-Laser
Die Stickstofflaser funktionieren ähnlich wie Excimerlaser, doch entfallen bei ihnen, da keine
aggressiven Substanzen vorhanden sind, die Materialprobleme. Der Aufbau ist deswegen
relativ einfach, deshalb werden N2-Laser gerne in Laboren selbstgebaut. Der Laser liefert
kurze Pulse mit einer Wiederholfrequenz von etwa 100Hz, wobei die Pulsdauer im
Nanosekundenbereich liegt. Die stärkste Laserlinie im Spektrum besitzt die Wellenlänge
337nm (UV-Bereich), und sie eignet sich besonders gut zum Pumpen von Farbstofflasern. Der
Nachteil der N2-Laser liegt darin, daß der Stickstoff zugeführte Energie nur sehr schlecht
speichert, so daß die Pulsenergie des Lasers auf maximal 10mJ beschränkt ist. Daher und weil
der Wirkungsgrad der N2-Laser nur 1 Promille beträgt werden meist die komplizierteren
Excimerlaser bevorzugt.
Die Entladung des Gases beim N2-Laser erfolgt meist quer zur Strahlrichtung des Lasers. Die
meisten Stickstofflaser benötigen einen kontinuierlichen Gasfluß, wofür eine Vakuumpumpe
eingesetzt wird. Das Gas sollte absolut reiner Stickstoff sein (Ansonsten kann es zu
Verschiebungen in der Wellenlänge kommen). Die Pulsdauer des Lasers ist stark von den
Druckverhältnissen im Inneren abhängig. Bei Erdathmosphärendruck beträgt sie 0,3ns bei
103Pa bereits 20ns. Die Kohärenzlänge des N2-Lasers beträgt ungefähr 1mm.
Wegen dem notwendig hohen Verstärkungsfaktor besitzt der Strahl keine gute Qualität. Er ist
unpolarisiert und bildet sich bei N2-Lasern höherer Leistungen aufgrund von transversalen
Entladungen rechteckig ab.
2) Festkörperlaser: Das aktive Medium bei den meisten Festkörperlasern besteht aus Kristalloder Glasstäben von einigen cm Länge und wenigen mm Durchmesser, welche mit optisch
wirksamen Ionen dotiert sind. Dabei werden meist Übergangsmetalle wie Cr (Rubin- oder
Alexandrit-Laser), Ni, Co oder seltene Erden wie Nd, Er oder Ho verwendet. Die
Laserstrahlung entsteht in inneren ungefüllten Schalen, die weitgehend vom Kristallfeld
abgeschirmt sind. Die Laserstrahlen liegen im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich.
Während Gas- und Moleküllaser durch Gasentladungen angeregt werden, erfolgt die
Energiezufuhr bei Festkörperlasern meist durch Blitz- oder kontinuierliche Bogenlampen.
Man nennt diesen Vorgang optisches Pumpen. Das eingestrahlte Pumplicht wird von den
Atomen absorbiert, mit denen der Kristall dotiert ist. Oftmals wird der Name des Lasers durch
die Atomart statt durch den Namen des Kristalls bestimmt; z.B.: Nd-Laser, Er-Laser, HoLaser. Der Kristall selbst ist hauptsächlich Träger für die eingebauten Atome, verändert
jedoch auch die Energieniveaus der Atome. Das absorbierte Licht wird auf das obere
Laserniveau übertragen, und beim Zerfall der Atome entsteht die Laserstrahlung.
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a) Neodymlaser: Der wichtigste Festkörperlaser ist der Nd-Laser, bei dem die Strahlung in
Nd-Atomen entsteht, mit denen der Kristall dotiert ist. Oft werden YAG-Kristalle (YttriumAluminium-Granat) benutzt, die künstlich aus einer Schmelze gezogen werden. Der Laser
strahlt im nahen infraroten Bereich bei Wellenlängen um 1,06µm. Im kontinuierlichen Betrieb
liegen die Leistungen bei einigen 10 Watt für die Medizin und bei einigen Kilowatt in der
Materialbearbeitung. Als Neuentwicklung der letzten Jahre entstanden Neodymlaser, die mit
winzigen Halbleiterlasern optisch gepumpt werden. Diese zeichnen sich durch hohen
Wirkungsgrad und hervorragende Strahlqualität aus. Auch gepulste Neodymlaser besitzen
Bedeutung in Wissenschaft, Medizin und Materialbearbeitung. Durch besondere technische
Maßnahmen gelingt es, die Pulsdauer in den Nanosekundenbereich zu reduzieren. Innerhalb
dieser kurzen Zeit kann das System Leistungen von mehreren Gigawatt aussenden. Die
Energie berechnet man aus Leistung mal Zeit. Für 1ns und 1GW erhält man 1Ws, was wenig
erscheint aber einen sehr kräftigen Lichtpuls darstellt.
Durch Verfahren der Frequenzvervielfachung in Kristallen kann die Strahlung des Nd-Lasers
in den sichtbaren und ultravioletten Bereich verschoben werden.
b) Rubinlaser: Rubin ist ein Kristall aus Aluminiumoxid (Al2O3 = Saphir), der seine rötliche
Färbung durch einen 0,5 prozentigen Zusatz von Chrom erhält. Damit werden im Kristallgitter
ungefähr 1019 Al3+- durch Cr3+-Ionen ersetzt. Diese Atome sind für die Laserstrahlung bei
0,69µm im Rotbereich verantwortlich. Der Rubinlaser wird vorwiegend gepulst angeregt und
heute vorwiegend in der Holographie verwendet.
c) Vibronische Festkörperlaser: Ähnlich wie Farbstofflaser können vibronische
Festkörperlaser auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden. Dabei haben sie einen
stabilen Aufbau und eine intensivere Emission. Durch den Einfluß von Gitterschwingungen
(daher der Ausdruck “vibronisch”) werden die Laserlinien spektral so breit, daß der Laser
Strahlung verschiedener Wellenlänge aussenden kann. Durch Veränderung des Resonators,
z.B. kippen eines optischen Reflektionsgitters, wird die Wellenlänge kontinuierlich verändert.
Beim Titan-Saphir-Laser liegt der Bereich zwischen 0,7 und 1µm, beim Alexandritlaser
zwischen 0,7 und 0,8µm.
Lasersicherheit:
Als oberstes Sicherheitsgebot ist zu beachten, daß Laserlicht Augenschäden anrichten kann.
Daher ist es zu empfehlen, nie direkt in den Laserstrahl zu sehen. Als direkter Blick sind alle
Sehbedingungen unter denen das Auge der Laserstrahlung ausgesetzt ist (ausgenommen
Betrachtung ausgedehnter Quellen) zu interpretieren.
Unter Sicherheit versteht man in diesem Belang alle notwendigen Maßnahmen, um Unfälle
mit Lasern zu vermeiden:
Beschilderung: Jede Lasereinrichtung muß Schilder tragen, die entsprechend den
Anforderungen der folgenden Abschnitte beschriftet sind: Die Schilder müssen ihrem Zweck
entsprechend dauerhaft angebracht, lesbar und während des Betriebs und der Service- und
Wartungsarbeiten deutlich sichtbar sein.
Jede Lasereinrichtung muß ein Hinweisschild, das die entsprechende Laserklasse bezeichnet,
tragen, außerdem müssen laserspezifische Hinweise angebracht sein (z.B. “Streustrahlung
vermeiden”). Weiters müssen an allen entfernbaren Schutzgehäusen und Abdeckplatten
Gefahrenhinweise befestigt sein.
Als Informationen für den Benutzer müssen Anweisungen für den richtigen Zusammenbau,
die Wartung und den sicheren Betrieb, Warnungen, Angaben über Strahldivergenz,
Impulsdauer, maximale Ausgangswerte der Laserstrahlung, Hinweise auf alle
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Laserstrahlaustrittsöffnungen, Justiereinrichtungen und Energieversorgung mitgeliefert
werden.
Anwendungen:
1) Medizin: Jede neu entdeckte Art von Strahlung wurde bisher von den Medizinern begierig
aufgegriffen, um sie auf ihre therapeutische oder diagnostische Wirkung hin zu untersuchen
(z.B.: Röntgen- oder γ-Strahlung). Sichtbares Licht wird in der Medizin seit Jahrhunderten
eingesetzt, ebenso wie Licht der benachbarten ultravioletten und infraroten Spektralgebiete.
Inzwischen ist die Lasertechnik in nahezu alle medizinischen Fachgebiete eingedrungen. Bei
jeder neuen Anwendung der Lasermedizin mußten und müssen folgende Kriterien geprüft
werden:
• Ist die Lasertherapie effektiver, weniger schmerzhaft und komplikationsärmer für den
Patienten als konventionelle Methoden?
• Ist sie für den Operateur und das Personal einfacher zu handhaben?
• Verkürzt sich durch die Laseroperation der Aufenthalt im Krankenhaus?
• Kann der höhere Kostenaufwand für das Lasergerät durch spezielle Vorteile gegenüber
anderen Behandlungsmethoden gerechtfertigt oder ausgeglichen werden?
• Werden mit dem Laser bisher unmögliche Behandlungen möglich?
Gegenwärtig hat die Medizin einen Anteil von etwa 20% am gesamten nichtmilitärischen
Lasermarkt.
Methoden der Lasermedizin:
Durch die Entwicklung unterschiedlicher Lasertypen haben sich später neuartige biologische
Effekte und medizinische Methoden entwickelt. Folgende Laser setzt man in folgenden
medizinischen Zweigen ein:
Medizinischer Zweig
Lasertypen
Onkologie
Nd:YAG, CO2, Farbstofflaser
Zahnheilkunde
Er:YAG
Ophthalmologie
Ar+, Kr+, Excimer, Ho:YAG, Nd:YAG (Puls)
Pulmologie
Nd:YAG
Angioplastie
Nd:YAG (Puls), Er:YAG, Farbstofflaser
Gastroenterologie
Ar+, Nd:YAG
Dermatologie
Ar+, CO2, Farbstofflaser
Gynäkologie
Nd:YAG, CO2
Urologie
Nd:YAG, Alexandrit
HNO
Nd:YAG, CO2, Er:YAG
Neurochirurgie
CO2, Nd:YAG
Folgende Verfahren werden heute eingesetzt:
• Schneiden mit dem “Laserskalpell” (Wärmewirkung)
• Koagulieren (Erhitzung von organischem Gewebe bis das Eiweiß gerinnt) zur
Gewebsvernichtung (Wärmewirkung)
• Verschweißen von Schichten und Gefäßen (Wärmewirkung)
• Abtragen von Gewebe (Photablation = Abtragen von Oberflächenmaterial durch intensive
gepulste Laserstrahlung, ohne daß Wärme weitergeleitet wird)
• Zerreißen von Strukturen (Photodisruption = Zerstörung durch funkenartigen Überschlag)
• Bestrahlen von Gewebe (photochemische Wirkungen = durch Laserlicht ausgelöste
chemische Reaktionen)
• Biostimulation (photochemische Reaktionen)
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Der Arzt entscheidet, mit welchem Verfahren er das medizinische Problem angeht. Für die
Entscheidung sind folgende Parameter von Bedeutung:
• Laserleistung und Leistungsdichte
• Bestrahlungsdauer
• Wellenlänge, welche die Eindringtiefe in das Gewebe bestimmt
Sichtbare Laserstrahlung und infrarotes Licht bis 3 µm Wellenlängen können durch
Glasfasern geleitet werden. Damit kann die Strahlung auch in Blutgefäße, den Magen und
andere Körperhöhlen eingeführt und dort gezielt eingesetzt werden. Dies geschieht oft in
Verbindung mit optischen Beobachtungssystemen, den Endoskopen, so daß eine gezielte
Behandlung auch im Körperinneren möglich ist.
Schneiden ohne Blutung: Hauptsächlich wird der CO2-Laser mit einer Leistung von etwa 50
W zum Schneiden eingesetzt, der eine Wellenlänge von 10,6 µm hat, eingesetzt. Diese liegt
im infraroten Bereich und die Strahlung dringt nicht sehr tief ins Gewebe ein.
Zum chirurgischen Schneiden wird die Laserstrahlung mittels einer Linse fokussiert, so daß
ein Brennfleck mit etwa 0,1 mm Durchmesser entsteht. Dort steigt die Temperatur schnell auf
mehrere 100°C an, so daß das Gewebe verdampft. Durch die Wärme koaguliert das Gewebe
am Schnittrand und kleine Blutgefäße verschließen sich. In der Chirurgie wird mit Lasern
geschnitten, in den Fällen, in denen es nicht bluten soll und eine hohe Präzision erforderlich
ist (z.B. Entfernung von Hirntumoren).
Koagulieren von Gewebe: Die Strahlung des Nd:YAG-Lasers (infrarot) besitzt eine
Wellenlänge von 1,06 µm und dringt einige mm ins Gewebe ein. Die Energie wird auf ein
größeres Volumen als beim CO2-Laser verteilt, daher steigt die Temperatur nur langsam. Der
Temperaturanstieg führt zu Koagulation, d.h. zur Zerstörung wichtiger Moleküle. Mediziner
benutzen den Laser mit 50 W zur präzisen Vernichtung von bösartigem Gewebe (Tumore,
…). Ein großer Vorteil gegenüber dem CO2-Laser liegt in der einfacheren Handhabung, da der
Nd:YAG-Laserstrahl durch Quarzfasern geführt werden kann.
Verschweißen durch Koagulation: Für das Wiederanschweißen der Netzhaut wird vor allem
der Ar-Laser verwendet: Man richtet den Strahl auf die defekte Stelle, schaltet dann den Strahl
des 2 W-Lasers, der auf einen Durchmesser von 2 µm fokussiert ist, für einige
Zehntelsekunden ein. Durch den Temperaturanstieg koaguliert und verklebt sich das Gewebe
mit dem Untergrund.
Auch Gefäßwände werden durch Koagulieren verschweißt. Durch die Hitzewirkung werden
Adern dauerhaft verbunden.
Abtragen von Gewebe durch Photoablation: Durch einen gepulsten Laser wird Gewebe
präzise weggerissen, so daß die darunterliegenden Schichten nichts davon spüren. Das wird in
der Mikrochirurgie (Hornhautschliff), in der Angioplastie (Öffnen verstopfter Blutgefäße, vor
allem am Herzen) und in der Zahnheilkunde (Bohren) eingesetzt. Es werden hauptsächlich
Er:YAG-Laser und Excimerlaser verwendet. Die Pulsdauer liegt meistens bei Nano- bis
Millisekunden.
Zerreißen durch Laserfunken: Fokussiert man die Strahlung eines kurzen, intensiven
Laserpulses, so sammelt sich die Lichtenergie im Brennpunkt. Dort werden die Elektronen
von den Atomen gerissen und es tritt Plasma in Form eines Funkens auf. Um den heißen
Fokus wird das Gewebe zerrissen. Anwendungen sind in der Augenheilkunde (Zerreißen von
trüben Strukturen im Augapfel) und in der Lithotripsie (Steinzertrümmerung). Verwendet
werden gepulste Nd-Laser mit Pulsdauern von 10 ns und Pulsleistungen im MW-Bereich.
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Bestrahlen in der photodynamischen Therapie: Dabei erhält der Patient den Farbstoff
Haematoprophyrin Derivat in den Blutkreislauf eingebracht. Dieser lagert sich in Tumoren ab
und bildet atomaren Sauerstoff, der mit Hilfe von Laserstrahlung (Au-Laser, mehrere Watt
Leistung, tief ins Gewebe eindringender Strahl) den Tumor zerstören kann.
Biostimulation und Akupunktur: Biostimulation ist die flächenförmige Bestrahlung von
Gewebe mit sehr schwachen Lasern (mW-Bereich). Es gibt keine direkte Wirkung. Wird in
vielen Bereichen der Medizin angewendet, u.a. Kosmetik. Die Akupunktur ist eine
punktförmige Bestrahlung von Gewebe, ebenfalls ohne schulmedizinisch erwiesene Wirkung.
Medizinische Anwendungsbereiche:
• Augen
• Hals, Nasen, Ohren
• Harnsystem
• Magen und Darm
• Haut (Tätowierungsentfernung)
• Gefäße
• Zähne
• Gehirn
2) Kommunikation durch Laserstrahlung (Telefonleitungen, Telekabel, Photonik, Glasfasern)
Allgemein:
In der modernen Nachrichtentechnik werden Sprache, Bilder und andere Daten in elektrische
Signale umgewandelt, und lassen sich daher viel schneller übermitteln als auf
"herkömmlichem" Weg. Zur Übertragung über große Entfernungen werden die elektrisch
kodierten Nachrichten auf elektromagnetische Wellen moduliert, welche sich mit
Lichtgeschwindigkeit ausbreiten (Lichtgeschwindigkeit: ~300.000 km/s). Auf dieser Technik
beruht die Radio- und Fernsehtechnik, in der Wellen von 105 bis 109 Hz (Kilo-, Mega- und
Gigahertzbereich) als Informationsträger benutzt werden.
Die optische Übertragung von Nachrichten ist keinesfalls eine Neuheit, man denke nur an die
Indianer, die ihre Nachrichten mittels Rauchsignalen weiterleiteten. Im auslaufenden 18.
Jahrhundert wurde dieses doch recht einfache System in Frankreich abgewandelt: Ein
optischer Telegraph mit speziellen Zeichen auf Signalmasten übermittelte eine Nachricht über
200 km in 15 Minuten. Bis vor wenigen Jahren war auch noch das Morsen mit Lichtsignalen
oder das Buchstabieren mit dem Flaggenalphabet gebräuchlich (vor allem Militär).
Diese zuverlässigen, aber doch recht langsamen Verfahren wurden im 19. Jahrhundert durch
Telegraphie (z.B. Werner von Siemens, 1848), Telefon und noch später durch die drahtlose
Nachrichtenübertragung mit Radiowellen ersetzt. Heute ist von diesen Verfahren vor allem
das Telefon weltweit verbreitet. Dabei werden die in elektrische Impulse verwandelten
Sprachsignale über Kupferdrahtleitungen, Koaxialkabel, Richtfunkstrecken und
Nachrichtensatelliten geführt. Die Nachrichten- und Datenflüsse wachsen beständig weiter an.
Wegen der immer größer werdenden Datenmengen werden die optischen
Übertragungssysteme, wegen ihrer hohen Übertragungsrate, wieder aktuell. Die Elektronik
wird dabei zunehmend durch die "Photonik" ersetzt. Das Grundprinzip dieser Technik ist
immer dasselbe: Die zur Übertragung notwendige Strahlung (Beim "normalen"
Kupferleitungstelefon entspräche dies den Elektroimpulsen) wird durch lichtemittierende
Dioden (LEDs) oder durch Halbleiterlaser erzeugt, und wird dann durch Glasfasern zum
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Empfänger geschickt. Die am häufigsten verwendeten Frequenzen der Trägerwelle betragen
einige hundert Terahertz (1 THz = 1012 Hz), denn diese Wellen können besonders große
Datenmengen übertragen.
Im Moment sind neue Technologien in der Entwicklung, die in Zukunft Telefon, Computer,
Fernsehen und andere Medien verknüpfen werden. Ein Schritt dahin sind ISDN-Leitungen
und Internetanschlüsse über die normale Elektrosteckdose.
Laser in der Kommunikation:
Ein großes Problem bei der Laserkommunikationstechnologie ist, daß die Laserstrahlen, die
zu Satelliten gelangen soll im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen nicht
wetterunabhängig sind. Daher wird die Laserstrahlung meist für solche Anwendungen nicht
verwendet (statt dessen elektromagnetische Wellen), da schon mittelstarker Nebel die
Sichtweite des Lasers auf einige wenige Meter reduziert. Daher werden auch die "ebenerdig"
verwendeten Laserstrahlen meist durch dünne Glasfasern geleitet. Anders verhält es sich im
freien, athmosphärenlosen Weltraum: Hier gibt es nichts Bekanntes (im den Menschen
bekannten Raum), daß gebündelte Laserstrahlung aufhalten könnte.
Die Telefonnetze innerhalb Europas werden momentan mit Glasfaser- und Lasertechnologien
nachgerüstet (In Österreich bereits 18.000 km Lichtleitfasern, In Deutschland 80.000 km).
Beim Telefon wird die Druckwelle des Schalls im Mikrophon der Sprechmuschel in
elektrische Signale umgewandelt; Es entsteht eine Wechselspannung, welche Tonhöhe und
Lautstärke der Sprache exakt widerspiegelt. Zur Übertragung werden diese sogenannten
analogen Signale oft digital kodiert. Die Digitaltechnik zeichnet sich nämlich durch eine
wesentlich geringere Anfälligkeit gegenüber Störungen aus.
Die Umsetzung des elektronischen Signals in ein optisches erfolgt mit Hilfe eines
Halbleiterlasers. Dieser ähnelt zwar den um einiges billigeren Leuchtdioden, zeichnet sich
aber durch gerichtete Abstrahlung, höhere Leuchtdichte und bessere spektrale Reinheit aus.
Bei digitaler Kodierung wird der Laser ein- und ausgeschaltet, je nachdem ob eine logische
Eins oder Null übertragen wird. Bei der Übersendung analoger Nachrichten wird die
Lichtleistung des Lasers kontinuierlich gesteuert.
Die Laserstrahlung wird dann in eine optische Faser eingekoppelt, die sich direkt vor dem
Laser befindet. Die Abmessungen sind winzig, der Querschnitt der Emissionsfläche beträgt
nur etwa 0,1 µm * 1 µm. Da der Laserstrahl den Faserkern möglichst genau treffen sollte,
werden höchste Anforderungen an mechanischer Genauigkeit beim Aufbau gestellt. In der
Faser selbst breitet sich die Strahlung annähernd verlustlos aus. Da in der Glasfaser der Effekt
der Totalreflexion eintritt, wird das Licht vom Rand ständig in den Kern reflektiert, da im
Zentrum die Brechzahl größer als am Rand ist. Bei speziellen Fasern tritt erst nach 100 km (!)
ein wesentlicher Strahlungsverlust auf. Am Ende der Übertragungsstrecke wird die Strahlung
durch eine Photodiode in eine elektrische Spannung zurück gewandelt. Dann kann das Signal
auf konventionelle Art dekodiert und weiter elektronisch verarbeitet werden, indem es
beispielsweise in der Ohrmuschel des Hörers in Sprache umgesetzt wird. Teilweise werden
Photodioden auch als Teile von Relaisstationen verwendet, wo das Signal durch einen anderen
Halbleiterlaser weiter geschickt wird. Auf diese Weise können die Signale viele tausend
Kilometer ohne großartigen Qualitätsverlust gesendet werden.
Digitale Kodierung:
Zur Digitalisierung von Signalen wird eine analoge Spannung in regelmäßigen Abständen
abgetastet und gemessen. Der entsprechende Spannungswert wird über einen sogenannten
Analog-Digital-Wandler in eine Digitalzahl umgesetzt. Beim normalen Telefon reichen 8 bits
aus, so daß 256 (= 28) verschiedene Signalwerte dargestellt werden können. Liegt die
10
Signalspannung z.B. zwischen 0 und 10 V so wird diese durch die Digitalisierung mit 8 bit in
Schritten von 40 mV gemessen.
Beim Telefonieren wird die Sprache in einem Frequenzbereich bis maximal 4 kHz übertragen.
Nach einem allgemeinen Theorem der Nachrichtentechnik muß die Abtastung mit mindestens
der doppelten Frequenz erfolgen. Es wird also mit 8 kHz eine Folge von 8 bit gesendet, d.h.
64000 bit/s. Beim Fernsehen beträgt die Bandbreite statt 4 kHz etwa 4 MHz, folglich liegt die
Übertragungsrate um den Faktor 1000 höher als beim Telefonieren. Eine Glasfaser ist in der
Lage mehrere Fernsehkanäle und dementsprechend einige 1000 Telefongespräche gleichzeitig
zu senden.
Die Faserkabel, die bei der Laserleitung verwendet werden, werden meist von einem
Kunststoffmantel umgeben, der Streustrahlung aufhält und zur längeren Haltbarkeit des
Glasfaserkabels beiträgt. Die einzelne Glasfaser hat einen Durchmesser von nur wenigen
Mikrometern. Daher werden meist 12 Glasfasern zu einem Faserband verbunden, und 12
Faserbänder ergeben ein Glasfaserkabel (mit 144 einzelnen Glasfasern). Dementsprechend
hoch ist die Kapazität dieser Kabel: Ein Kabel ist im Stande mindestens 100.000
Telefongespräche gleichzeitig zu übertragen.
Bauelemente der Glasfasertechnik sind:
• Glasfaser (meist Kabel mit 144 Fasern)
• Halbleiterlaser
• Empfangsdiode
• zahlreiche elektronische und spezielle optische Systeme, wie Strahlweichen, Modulatoren
oder optische Schalter.
Die verwendeten Halbleiterlaser sind meist Laser mit Halbleiterstrukturen auf Basis von
GaAs oder InP mit Wellenlängen um 0,9 bzw. 1,3 und 1,5 µm und Laserleistungen von etwa 1
mW. Die spektrale Bandbreite liegt um 1 nm (Sie sollte möglichst klein sein, da die Laufzeit
in der Faser von der Wellenlänge abhängt). Meistens verwendet man Laser deren aktive Zone
möglichst schmal und der Geometrie der Faser angepaßt ist (Buried-heterostructure-Laser).
Das Schalten der Laser erfolgt direkt über den Anregungsstrom.
Die Empfangsdiode (= Photodiode) besteht aus Si oder aus einem ähnlichen
Halbleitermaterial wie bei den Lasern.
Vorteile der optischen Nachrichten- und Übertragungstechnik:
Die Menge der übertragbaren Daten hängt von der Frequenz der Trägerwelle ab. Deshalb ist
Licht mit einer Frequenz der optischen Datensignale von etwa 200 THz besonders gut dafür
geeignet. Die gesamte optische Bandbreite, die für die Signalübertragung bei Verwendung
von Lasern mit 1,3 und 1,5 µm zur Verfügung steht, beträgt etwa 25 THz. Das ist bedeutend
mehr als bei elektronischen Breitbandsystemen mit 10 GHz Trägerfrequenz, die z.B. durch
Koaxialkabel realisiert werden. Mit Licht als Trägerschwingung erhöht sich damit die
übertragbare Datenmenge um mehr als den Faktor 1000.
Optische Fasern sind bezüglich Übersprechen von Nachbarfasern unempfindlich, abhörsicher
und wesentlich kompakter als elektronische Kabel oder Lichtleiter bei hoher Frequenz. Auch
die Übertragungsverluste sind geringer, und es werden weniger Relaisstationen benötigt.
Optische Kabel besitzen nur eine äußerst geringe Anfälligkeit bezüglich äußeren
elektromagnetischen Störeigenschaften (Da elektronische Leitungen bei
Atombombenentladungen durch den sogenannten elektromagnetischen Sturm, der
Spannungsimpulse auf die Drähte legen könnte, zerstört werden können, investierte vor allem
das Militär wegen obig genannter Eigenschaft am Anfang hohe Summen in diese
Technologie).
heutzutage wird die optische Datenübertragung hauptsächlich in zivilen Bereichen verwendet:
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• Zur Übertragung von Telefongesprächen und Fernsehprogrammen ("Kabel")
• Zum Verbinden von Großrechnern oder elektronischen Baugruppen mit hohen Datenraten
• Im Umfeld von starken elektromagnetischen Störfeldern oder hohen elektrischen
Spannungen.
3) Optische Datenverarbeitung und -speicherung
Allgemein:
In der heutigen Zeit wird nahezu alles mit Computern bearbeitet, gelenkt, etc.… . Folglich
stellt die Informatik eine der wichtigsten Entwicklungen überhaupt dar. Sprache, Bilder,
Zahlen, Daten und viele andere Informationspartikel werden heute in großem Umfang
elektronisch gespeichert, bearbeitet und zur Steuerung von Prozessen verwendet.
Auch optische Technologien dringen zunehmend in die Bereiche der
Informationsverarbeitung und -speicherung ein und eröffnen neue Möglichkeiten (ScienceFiction-Begriff "Optronik").
Als Vorbild für jegliche “künstlich” hergestellte optische Datenverarbeitung dient
selbstverständlich das Auge, sei es vom Menschen oder vom besser sehenden Tier. Das Auge
funktioniert perfekt, aber gleichzeitig doch verständlich einfach: Durch die Augenlinse strömt
das Licht, das von dreidimensionalen Objekten abgestrahlt wird, ins Auge und bildet sich auf
dem Augenhintergrund ab. Auf der Netzhaut entsteht ein zweidimensionales Bild, das von
Nervenzellen in elektrische Signale umgewandelt und im Gehirn gespeichert und verarbeitet
wird (Die Wissenschaftler streiten darüber in welcher "Übertragungsform" die Signale
weitergeleitet werden, ob sie in der, auch in den Computern gebräuchlichen, binominalen oder
in einer anderen Form übertragen werden). Das Linsensystem im Auge erfüllt zahlreiche
Funktionen: Durch Variation der Brennweite werden verschiedene Objektabstände scharf auf
die Netzhaut abgebildet, der Lichtstrom auf der Netzhaut wird durch die Pupille geregelt,
durch Beobachtung mit beiden Augen aus unterschiedlichen Richtungen entsteht ein
räumlicher Eindruck, durch Bewegung der Augen werden bewegte Objekte erfaßt.
Die Möglichkeiten der Bilderfassung und -verarbeitung durch das Auge werden durch Brillen,
Lupen, Mikroskope und Fernrohre erheblich erweitert. Die Entwicklung dieser Geräte begann
im Mittelalter und wurde im 19. Jahrhundert zu einer hohen Blüte getrieben.
Die Theorie des Mikroskops und dessen Auflösungsvermögen bildet die Grundlage
verschiedener optischer Datenverarbeitungssysteme. Das Mikroskop wurde 1673 von A. von
Leenwenhock entwickelt, von Christian Huyghens 1684 weiterentwickelt, so daß das
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zweilinsige Okular entstand. Ernst Abbe (1840-1905) erweiterte die theoretischen Grundlagen
dieser Geräte, die Carl Zeiss in Jena mit immer höherer Qualität und höherem
Auflösungsvermögen herstellte. Besonders Mediziner und Biologen waren begeistert von dem
neuen Gerät, das neben dem Fotoapparat ein Verkaufsschlager unter den optischen Geräten
wurde. Das Mikroskop stellt ein zweistufiges System dar, in dem durch zweimalige FourierTransformation ein Bild des Objekts erzeugt wird. Nach der ersten Fourier-Transformation
kann in der Brennebene des Objektivs die Lichtverteilung durch Blenden und Masken
verändert werden, wodurch sich das Bild in charakteristischer Weise ändert. Diese Versuche
von Abbe stellten erste Beispiele für eine rein optische Bildverarbeitung dar. Fritz Zernicke
(1888-1966, 1953 Nobelpreis Physik) hat diese Ideen weitergeführt und durch Einfügen einer
sogenannten Phasenplatte in die Objektivbrennebene eines Mikroskops ursprünglich
unsichtbare Phasenstrukturen von Objekten dem Auge sichtbar gemacht. Damit war das erste
rein optische Phasenkontrastverfahren entwickelt.
Die Erfindung der Holographie (1948 Dennis Gabor, USA; 1971 Nobelpreis Physik) und des
Lasers durch Maiman im Jahre 1960 haben der optischen Bildverarbeitung starke Impulse
gegeben. Durch die Reinheit der neuen Lichtquelle Laser konnten zahlreiche Verfahren zur
Bildtransformation und Filterung entwickelt und optische Methoden der Bilderkennung durch
Korellationstechniken entwickelt werden. Die Bilder sind dabei aber nicht immer
gegenständliche Objekte, sondern können auch zweidimensionale Datenfelder darstellen.
Die Bild- und Datenverarbeitung geschieht bei den bisher erwähnten Verfahren analog, d.h.
die Daten sind stetige Funktionen des Ortes und der Zeit. Diese analogen Techniken werden
hauptsächlich zur Bearbeitung zweidimensionaler Bilder eingesetzt. Die analoge optische
Bildverarbeitung beruht auf zwei grundlegenden mathematischen Operationen, nämlich der
Multiplikation und der Fourier-Transformation.
• Multiplikation: Wird ein Objekt mit einer Lichtwelle bestrahlt, so gibt die Lichtintensität
unmittelbar hinter dem Objekt dessen Konturen originalgetreu wieder. Es entsteht auf einer
Beobachtungsfläche (= Schirm) in der Nähe ein objektähnlicher Schatten. Diese Operation
wird auch beim Diaprojektor verwendet. Die Lichtintensität hinter dem Objekt entspricht
dem Produkt aus Intensität der Lichtquelle und Durchlässigkeit des Objekts. Der
Durchgang von Licht durch ein teildurchlässiges Objekt stellt damit die optische
Realisierung der mathematischen Operation "Multiplikation" dar.
Damit können riesige zweidimensionale Datenfelder multipliziert werden, die aus bis zu 1
Million Zahlen bestehen können (1000*1000): Dabei verwendet man beispielsweise zwei
Flüssigkristallschichten, die übereinander liegen, auf welche Zahlen grauförmig als
Matrizen gespeichert werden. Dann werden beide Schichten mit Licht durchstrahlt, und das
Produkt der Multiplikation wird mittels eines Detektorfelds registriert.
Der Vorteil dieser doch recht kompliziert anmutenden Operation ist, daß im Gegensatz zu
elektronischen Systemen riesige Datenmengen parallel verarbeitet werden können.
Außerdem wird die Rechenoperation in äußerst kurzer Zeit durchgeführt, nämlich in der
Zeit, in der das Licht durch das Objekt strahlt. Bei einer Dicke von 0,1 mm der
Flüssigkristallschichten beträgt diese 300 Femtosekunden (= 3*10-13 s). Diese hohe
Leistung ist mit elektronischen Systemen kaum realisierbar.
• Fourier-Transformation: Mit einer Linse oder einem Objektiv kann man einen Gegenstand
betrachten, wie zum Beispiel beim Auge oder Diaprojektor. Das Abbild des Dias befindet
sich mehrere Meter entfernt auf einem Schirm. Wird jetzt der Schirm näher herangeführt,
so wird das Bild sehr schnell unscharf, und nach kurzer Zeit kann man nichts mehr
erkennen. Bringt man den Schirm mit dem Abbild bis in die Brennebene vor dem Objektiv
so tritt die sogenannte Fourier-Transformation auf: So heißt die mathematische
13
Verknüpfung die zwischen der Lichtverteilung am Dia und dem verschwommenen Abbild
herrscht.
Wenn man sich die Information des Dias als feine Rasterlinien vorstellt, gibt die FourierTransformation Auskunft über die Verteilung der Abstände der Linien.
Die Fourier-Transformation nützt man zum Beispiel in der Radartechnologie aus (in
Verbindung mit dem Dopplereffekt)
Aus der elektronischen Datenverarbeitung (EDV) ist bekannt, daß analoge Verfahren eine
begrenzte Genauigkeit besitzen. Daher werden vor allem digitale Verfahren verwendet. In der
EDV werden daher zu verarbeitende Größen als rationale Zahlen dargestellt (z.B. 1,2,3,4,...).
Diese erlauben eine beliebige Genauigkeit.
Nun wird versucht auch in der ODV (optischen Datenverarbeitung) digitale Verfahren zu
finden. Man versuchte eine Möglichkeit zu finden, die elektronischen Rechner durch digitale
optische zu ersetzen. Da die Entwicklung aber nur sehr langsam vorangeht, sieht man die
optische Datenverarbeitung nicht mehr als Ersatz sondern vielmehr als Ergänzung der
elektronischen.
Optische Digitalrechner:
Erst in den Achtzigerjahren wurden optische Digitalrechner zu einem Forschungsziel. Das
Ziel die elektronischen Rechner zu verdrängen, ist zwar in weiter Ferne, doch die erhofften
Kapazitäten der optischen Systeme sind beeindruckend: Während elektronische Rechner 10100 Millionen Rechenoperationen in der Sekunde schaffen (Parallelrechner sogar 1-10
Milliarden), sollen die optisch-digitalen Rechner mindestens tausendfach höhere Rechnungsleistungen bieten.
Ein optischer Digitalrechner könnte zum Beispiel so aufgebaut sein: Die Daten werden über
eine Art Tastatur, die mit einer Lichtquelle (Laser?) verbunden ist, eingegeben. Das Licht gibt
die Daten durch steuerbare Masken oder durch Modulation über Glasfasern dem
Zentralrechner weiter. Dort werden sie miteinander verknüpft und/oder verarbeitet. Die
benötigten Verknüpfungen erfolgen in elektronischen Prozessoren durch Transistoren, die
verschiedene logische Operationen durchführen.
Es werden auch schon optische Transistoren entwickelt. Dabei steuert ein schwächerer
Lichtstrahl einen stärkeren, durch Schalter, Resonatoren, etc.
Doch momentan werden in der optischen Datenverarbeitung kaum Laser eingesetzt, daher ist
obiges als kleiner Exkurs zu sehen, doch in heutigen Peripheriegeräten ist der Laser oftmalig
eingesetzt. Vor allem in Dateneingabe (Scanner), -weiterleitung (Glasfaser) und -ausgabe
(Drucker, Faxe) ist der Laser heute nicht mehr wegzudenken:
Dateneingabe:
Optoelektronische Auswertesysteme werden zum Lesen von Strichcodes, Texten und
Zeichnungen verwendet.
Weit verbreitet sind Strichcodelesegeräte und Scanner zur Identifizierung von Waren und
Preisen in Geschäften und zur Kennzeichnung von Büchern in Universitäten und
Bibliotheken. Die "Ware" wird dazu mit einem Symbol, einem sogenannten Barcode,
gekennzeichnet, das aus parallelen Strichen unterschiedlicher Dicke besteht. Mit dem Scanner
wird ein Laserstrahl über den Strichcode geführt, dann wird die zurückgestrahlte Strahlung
gemessen. Diese besteht aus verschieden starken Impulsen unterschiedlichen Abstandes, die
mittels eines Photodetektors in ein elektrisches Signal umgewandelt und ausgewertet werden.
Früher verwendete man hauptsächlich He-Ne-Laser, während heute kompakte Laserdioden
verwendet werden.
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Ein Strichcode besteht aus hellen und dunklen Balken, die die Digitalzahlen 0 und 1
darstellen. Diese Balken kann man wie das Binominalzahlensystem interpretieren und damit
beliebige Zahlen bilden. Die europäische Norm von Strichcodes ist das EAN (Europäisches
Artikelnummerierungssystem), das den Vorteil besitzt, vom Laser sowohl vorwärts, als auch
rückwärts gelesen werden zu können.
Mit optischen Scannern für Computer können Papierseiten bis zu einem Format von DIN A3
eingegeben werden. Im Grunde funktionieren sie wie Strichcodelesegeräte, nur daß kein Code
gelesen wird, sondern die ganze Seite als Bitmuster gespeichert wird und von
Computeralgorithmen auf Zeichen untersucht wird. Dadurch wird der Seiteninhalt so
konvertiert, daß man ihn am Computer bearbeiten kann.
Zu den optischen Eingabe- und Aufzeichnungsgeräten zählt sicher auch die Laserkamera, die
vor allem in Medizin und Biologie verwendet wird. Damit kann man Bildsignale eines
Computertomographen (CT) oder Magnetresonanzgeräts (MR) sichtbar machen. Das
Funktionsprinzip entspricht dem des Laserdruckers (siehe weiter unten), doch wird hier anstatt
der Drucktrommel ein lichtempfindlicher Film vorbeigeführt, belichtet und dann ausgegeben.
Die Bilder ähneln normalen Röntgenbildern.
(Optische) Datenspeicherung:
Daten können auf verschiedenste Weise optisch gespeichert werden. Man denke nur an
Fotografie und Film, die seit letztem Jahrhundert bekannt sind. Doch es existieren auch viel
aktuellere Erfindungen dazu:
Die Technologie der optischen Compact Disks begann in den späten 60er Jahren durch die
Firmen Bosch (Berlin) und Philips (Eindhoven). Bereits im Jahre 1973 (!) gab es den ersten
optischen Videoplattenspieler zu kaufen. Zum Abtasten der noch störungsanfälligen Platten
wurde ein He-Ne-Laser verwendet, der sich noch heute in solchen Geräten bewährt. Dieser
frühe optische Datenspeicher hatte aber auf dem Markt keine Chance gegen die
konventionelle magnetische Aufnahme/Wiedergabetechnik.
1976 begann Philips in Kooperation mit Sony die erforderliche Elektronik für optische
Speichersysteme zu entwickeln. Damit wurde der erste Grundstein für die heutigen CDs
gelegt, die erst in der Mitte der 80er Jahre einen durchschlagenden Erfolg hatten.
Die Datenspeicherung auf einer CD erfolgt, wie bei der Schallplatte, durch eine Abfolge von
Hebungen verschiedener Länge und Abstände. Diese Erhebungen, auch "Pits" genannt, gehen
aber nur in den Micrometerbereich (µm). Die Pits werden von einem fokussierten Strahl eines
Diodenlasers (mit weniger als 1 Milliwatt Leistung) abgetastet, aber im Gegensatz zur
normalen Schallplatte erfolgt dies berührungslos und nahezu verschleißfrei. Zur Verbesserung
der Abtastung ist die Platte einschließlich der Pits mit einer Metallschicht verspiegelt. Ist an
der angestrahlten Stelle kein Pit, so wird der Laserstrahl reflektiert und von einem
Photodetektor registriert. Befindet sich jedoch ein Pit dort, so wird der Laserstrahl abgelenkt,
und der Photodetektor empfängt kein Licht mehr. Dieses stetige Hin und Her wird in "1" und
"0", also digitale Signale, umgewandelt und kodiert. Anschließend werden die Signale
verstärkt und dann zu einem Lautsprecher geführt, der die Musik wiedergibt.
Normale käufliche CDs sind nicht aufnahmefähig und daher auch nicht wiederbeschreibbar,
aber es gibt CDs die mit einer wiederbeschreibbaren Silberfolie statt der Metallschicht
ausgestattet sind (Allerdings ist das private "Brennen" von CDs nicht billig, und auch die
Qualität des Aufgenommenen leidet darunter).
Bei kommerziellen CDs werden die elektrischen Tonsignale etwa 44.000 mal pro Sekunde
abgetastet und die momentanen Spannungen in etwa 65.000 Stufungen digital kodiert (Das
entspricht 16 bit). Durch diese hohe Genauigkeit werden auch kleinste Veränderungen in
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Lautstärke und Tonhöhe registriert und wiedergegeben. Folglich ist die Qualität viel besser als
bei der veralteten Magnetbandtechnik (1927 erfunden). Die Lizenz für Compact-Disks wurde
zwecks Konkurrenzfähigkeit an mehrere Unternehmen erteilt, unter der Bedingung, daß ein
einheitliches Format beibehalten wird. Durch das und durch ihre großartige
Wiedergabefähigkeit hatte die CD Magnetbänder und Schallplatten bald verdrängt.
Die Herstellung der CD erfolgt durch einen Argon- oder Kryptonlaser mit einigen Watt
Leistung. Der Strahl wird durch ein Objektiv auf einen Durchmesser, der geringer als ein
Micrometer ist, gebündelt. Eine photoempfindliche Schicht, die sich auf einer rotierenden
Scheibe befindet, wird im Takt der digitalen Informationen belichtet. Nach einer chemischen
Behandlung entstehen an den belichteten Stellen durch Verätzen Vertiefungen. Dann wird
eine Preßmatrix hergestellt und die CD-Rohlinge werden mit dem Pitmuster gepreßt. Dann
wird der Rohling mit einer Aluminiumschicht verspiegelt, und mit einer nur 5-10 µm dicken
Lackschicht versehen, die gegen Schmutz schützen soll.
Die Speicherkapazität einer CD reicht für etwa 75 Minuten Musik, oder als CD-ROM
(ROM… Read only Memory = Festspeicher) für 700-750 Megabyte.
Durch die Lasertechnologie öffnen sich viele weitere Möglichkeiten der optischen
Datenspeicherung. Zum Beispiel läßt sich die Speicherkapazität einer CD durch Verkürzen
der Laserwellenlänge erhöhen, da die minimalen Abmessungen der Pits durch die
Wellenlänge gegeben sind. Durch neuentwickelte frequenzverdoppelende Halbleiterlaser läßt
sich die Speicherkapazität etwa vervierfachen (!). Doch diese Technologie ist noch in der
Testphase.
Eine weitere Erhöhung der CD-Speicherkraft wird von holographischen Speicherverfahren
erhofft. Dabei werden die Informationen nicht mehr in einer dünnen Schicht, sondern im
Volumen photorefraktiver Kristalle gespeichert wird. Diese seit Jahren in der Entwicklung
steckende Technologie soll die Speicherdichte um viele Größenordnungen anheben.
Datenausgabe:
Aber nicht nur in Dateneingabe und -speicherung werden Laser verwendet, auch die
Datenausgabe mit Hilfe von Lasern wurde in den letzten Jahren weiterentwickelt. Zum
Beispiel verwendet man Laser in Zeichenplottern, die nicht mehr auf Papier sondern auf
spezielle Folien zeichnen. Doch auch in der "Druckerei" werden Laser verwendet:
Beim Laserdrucker wird zuerst eine Drucktrommel negativ aufgeladen. Durch Laserbeschuß
entsteht eine punktuelle Entladung, so daß ein Licht entsteht. Dabei beschreibt der sich
parallel zur Trommel bewegende Laser diese. Wenn sich nun die Trommel an der Patrone mit
Tonersubstanz vorbeibewegt, nimmt sie negativ geladene Tonerteilchen mit. Dann kommt die
Trommel mit dem Papier in Berührung, dem sie durch Hitze und Druck die Tonerteilchen fest
aufdruckt. Während das bedruckte Papier ausgegeben wird, wird die Trommel durch
Lichteinstrahlung von der negativen Aufladung und den restlichen Tonerpartikeln befreit.
Damit man farbige Ausdrucke herstellen kann, benötigt man einen Laserdrucker mit drei
hintereinander geschalteten Drucktrommeln, die die Tonerfarben rot, grün (selten gelb) und
blau beinhalten.
Der Laserdrucker benötigt eine sehr exakte Steuerung, daher ist diese fast immer elektronisch.
Die meisten Laserdrucker haben eine Auflösung von 300-1200 dpi (dots per inch bzw.
Bildpunkte pro Zoll = 2,5 cm). Bei 300 dpi wird die Bildseite damit in 8 Millionen
Bildpunkten dargestellt. Die Geschwindigkeit eines Laserdruckers hängt vor allem von der
Elektronik ab, die die “Vorarbeit” übernimmt, denn das Druckwerk selbst ist außerordentlich
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schnell. Normalerweise gibt ein Laserdrucker im Privatgebrauch 10-25 Seiten pro Minute aus,
in der professionellen Druckindustrie bis hin zu 240 Seiten.
4) Materialbearbeitung und Produktion
Mit gebündelter, intensiver Laserstrahlung lassen sich beliebige Materialien bohren,
schneiden, schweißen oder anders bearbeiten. In der Natur ist kein Material bekannt, daß
Laserstrahlung dauerhaft “Widerstand leisten” kann. Die Laserstrahlung wird an der
Oberfläche eines Materials absorbiert und in Wärme umgewandelt. Sofern der Strahl genug
Energie beinhaltet, schmilzt das Material an dem Auftreffpunkt. Diesen Effekt kann man in
Industrie und Technik sehr oft ausnutzen, zum Beispiel um eine nicht abfeilbare
Seriennummer in ein Werkstück einzubrennen, oder um durch Schmelzen und Erstarren zwei
Einzelteile zusammenzuschweißen. Natürlich ist die kostenaufwendige Lasertechnologie den
herkömmlichen Verfahren überlegen, ansonsten würde man ja diese verwenden.
• Der erste Vorteil ist sicher, daß der Laserstrahl sehr genau fokussiert werden kann (bis in
den µm-Bereich).
• Weiters kann ein Laserstrahl leicht durch Glasfasern oder über Spiegel geführt werden,
daher ist es nicht schwer einen Laser mit einem Fertigungsroboter zu verbinden.
• Laserverfahren arbeiten praktisch ohne Werkzeugverschleiß, daher können sehr spröde und
harte Materialien bearbeitet werden.
Das einzige wirkliche Problem besteht in den Kosten für die aufwendigen Geräte. Auf dem
weltweiten Werkzeugmarkt liegt der jährliche Jahresumsatz etwa bei 670 Milliarden ÖS. Die
Laser haben dabei einen Marktanteil von circa 3 %, mit sehr großen Wachstumsraten.
Die wichtigsten Laser für die Materialbearbeitung sind CO2- und Nd:YAG-Laser, für spezielle
Anwendungen auch Excimerlaser (Siehe Arten von Lasern).
Die wichtigsten Einsatzgebiete sind:
• Beim Laserschneiden von Blechen, z.B. für Autokarosserien wird das Material zum
Schmelzen gebracht. Das flüssige Material wird weggeblasen, bei Verwendung von
Sauerstoff wird die Schnittgeschwindigkeit dazu sehr erhöht, weil durch die Oxidation
zusätzliche Wärme entsteht. Schneidelaser können hochkomplizierten Bahnen folgen, die
mit herkömmlichen Diamantschleifscheiben nur linear geschnitten werden könnten.
Weitere Vorteile ergeben sich auch beim Schneiden von beschichteten Blechen,
organischen Fasermaterialien, Kunststoffen, Keramik, Glas oder drahtverstärkten
Gummiteilen. In der Automobilindustrie werden Schneidelaser bevorzugt in der
Entwicklung neuer Karosserieteile eingesetzt, da die Schnittmuster sehr schnell und
einfach verändert werden können.
• Beim wärmeleitenden Laserschweißen wird ein Laserstrahl so auf die beiden Werkstücke
gerichtet, daß sie "nur" schmelzen, aber kaum verdampfen. Die beiden Stücke liegen an der
Schweißnaht aneinander, und wenn das Geschmolzene nun erstarrt, sind die beiden Stücke
zu einem geworden.
Beim Tiefenschweißen mit Lasern liegt die Temperatur über dem Siedepunkt der
Schweißlinge, so daß die Schmelze durch den Druck des Dampfes in der Schweißnaht
bewegt wird. Die Schmelze zirkuliert und wird sogar teilweise über die Materialoberfläche
gehoben, wodurch eine "Schweißraupe" entsteht. Der Vorteil beim Tiefenschweißen ist,
daß die Schweißnaht nur minimale Verunreinigungen aufweist. Anfangs gab es bei einigen
Metallen, wie z.B. Aluminium, Probleme, da die Zähigkeit der Schmelze zu gering war,
und sie daher abfloß. Durch Vorwärmen konnte aber auch dieses Problem beseitigt werden.
Durch das Laserschweißen konnte beispielsweise im Automobilbau eine Materialersparnis
von etwa 5 kg erzielt werden, da durch die hohe Präzision des Verfahrens die
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Überlappungen der Schweißnähte geringer ausfallen. Auch beim Schweißen an
unzugänglichen Stellen hat sich das Laserschweißen dank seiner Präzision bewährt. Das
Verfahren wird auch in der Elektroindustrie zum Verbinden verschiedener Materialien
eingesetzt.
• Bohren
• Die Oberflächenbehandlung mit Lasern wird oftmals eingesetzt um Massenprodukte
chemisch und mechanisch zu verbessern, aber auch um den visuellen Eindruck zu
verschönern. Dabei werden die Laser hauptsächlich eingesetzt um die Oberfläche zu
härten, zu beschichten und/oder zu legieren. Dieses Verfahren hat sich erst in den letzten
Jahren durchgesetzt. Auf das Werkstück wird eine pulverförmige Substanz (meist Bor oder
ein Karbid) aufgebracht, die durch Laserstrahlung mit der Oberfläche verschmolzen wird.
Sofern man das Ganze schnell abkühlt entsteht eine äußerst harte und feinkörnige
Oberfläche. Es entsteht eine neue Legierung, die für ihren späteren Zweck bessere
Eigenschaften aufweist als die alte Oberflächensubstanz.
Viel einfacher ist das Verfahren der Lagerhärtung, einer Weiterentwicklung der klassischen
Wärmebehandlung. Dabei wird die Oberfläche erhitzt und dann schnell abgekühlt.
Dadurch geht das Material meist in eine härtere Phase über, die eine feinere Kristallstruktur
aufweist. Die Umwandlung darf aber nicht zu tief ins Innere des Werkstücks vordringen,
da dieses ansonsten spröde wird oder sich verzieht. Durch den Einsatz von Lasern läßt sich
das hervorragend vermeiden, da man mit dem Laser sehr gezielt arbeiten kann.
Anwendungen finden sich z.B. beim Härten von Zahnrädern oder Ventilen und
Zylinderwänden von Verbrennungsmotoren.
Wenn man die Oberflächenbehandlung mit einem gepulsten Laser durchführt und dann
schnell abkühlt entsteht eine glasartige, amorphe Phase, die äußerst hart ist. Das Verfahren
heißt Laserglasierung.
• Widerstandsabgleichen
• Beschriften
• Das viel weniger spektakuläre, aber wirtschaftlich wichtige Markieren mit dem Laser wird
sehr häufig angewandt. Das Hauptziel dabei ist es, eine nicht entfernbare Beschriftung
anzubringen. Angewendet wird das bei der Kennzeichnung von Bauteilen, bei optischen
Präzisionsinstrumenten, beim Schreiben von Strichcodes oder auch beim einfachen
Beschriften von Kugelschreibern. Daneben ist der kriminalistische Wert zu nennen,
schließlich wird damit die Chance einer illegalen "Besitzüberschreibung" minimiert.
Die Leistungen der Industrielaser für Materialbearbeitung liegen zwischen 100 W und 25 kW.
Bei kompletten Maschinen wird die Laserstrahlung meist über einen Bearbeitungskopf
zugeführt, der eine Linse zur Fokussierung und/oder einen Sensor zur Feineinstellung besitzen
kann. Die Bearbeitung erfolgt aus Sicherheitsgründen oftmals hinter schützenden
Glasscheiben. Außerdem herrscht in diesem Glasverschlag oft ein stetiger Gasstrom, der
verhindern soll, daß verdampftes Material an der Oberfläche kondensiert.
Für die Lasertechnologie gibt es in der Industrie sehr viele Anwendungsbereiche. Als erstes
wurden sie in der Mikrotechnologie beim Bohren kleiner Löcher in Lagersteinen für
mechanische Uhren oder beim Löten dünner Drähte in der Elektronik (Chip-Industrie)
verwendet. Mit zunehmender Leistung wurden auch die Werkstücke größer: Aus den meisten
Autoindustriebetrieben sind Laser nicht mehr wegzudenken, und auch beim Flugzeugbau
spielen sie eine große Rolle.
5) Anwendungen von Höchstleistungslasern
Laser mit hoher Kilowattzahl werden vor allem in der Materialbearbeitung eingesetzt (siehe
oben). Höchstleistungslaser gehen darüber hinaus, ihre wichtigsten Anwendungsbereiche
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werden möglicherweise Kernfusion und Isotopentrennung sein. Das Militär interessiert sich
natürlich im Bezug auf Strahlwaffen auch für die Höchstleistungslaser (Diese Perspektive läßt
die meisten seriösen Forscher aber nur lächeln, da dies eher als Vision eines Science-FictionAutors zu sehen ist).
Die heutige Energieversorgung geschieht zu einem Großteil aus Verbrennungskraftwerken
(Ausnahme Österreich: Großteils Wasserkraft). Doch da diese erstens sehr umweltschädigend
sind, und zweitens die dafür nötigen fossilen Brennstoffe irgendwann einmal zu Ende gehen
werden, sucht man verzweifelt nach Alternativen. Als erstes wäre die Wasserkraft zu nennen,
doch diese scheidet zum Beispiel in wasserarmen Staaten aus, außerdem zerstören
Wasserkraftwerke Landschaftsbild, Lebensraum und Lebewesen. Als nächstes wären
Windkraftwerke zu erwähnen. Diese sind allerdings vom Wind abhängig, der vom Menschen
nicht kontrollierbar ist. Folglich sind sie sehr unzuverlässig. Dann gibt es die
Kernspaltungsenergie. Doch Kernkraftwerke sind trotz vieler Sicherheitsmaßnahmen
gefährlich, und dazu bleiben radioaktive Abfälle über.
Das waren die bereits realisierten Energiegewinnungsanlagen. Doch es gibt auch zahlreiche
bis jetzt noch theoretische Projekte. Gezeitenkraftwerke wären eine Möglichkeit, die relativ
leicht realisierbar wäre. Doch Gezeitenkraftwerke würden zwangsläufig Lebensräume und
Lebewesen zerstören, nebenbei würden sie die internationale Schiffahrt behindern.
Dann gibt es die Pläne für ein Erdwärmekraftwerk. Doch wie soll dabei effektiv Energie
umgesetzt werden?
Eine weitere Theorie ist die der Fusionsenergie. Diese ist wahrscheinlich sauber, und nicht
allzu gefährlich. Auch die Sonne erzeugt Energie durch Fusion. Diese Erkenntnis gewann man
1930, als auch klar wurde, daß alle Elemente aus dem ersten Element Wasserstoff (H)
entstanden sind.
Die Theorie der Fusion ist so einfach wie die der Verbrennung:
z.B. Kohlenverbrennung: C + O2 → CO2 + E (E steht für freiwerdende Energie)
z.B. Fusion in der Sonne: 4H → He + E
Aus vier einfachen Wasserstoffatomen wird ein Heliumatom, und dabei entsteht Energie.
Diese Energie ist aber einige Millionen mal so groß wie die der Kohlenstoffverbrennung. Seit
Jahrzehnten laufen auf der Erde Bemühungen ab, diesen Vorgang nachzuvollziehen. Als
erstes geschah dies bei der unkontrollierten Explosion bei Wasserstoffbombentests, die als
Opfer der Wissenschaft einige zehntausend Menschen radioaktiv verseuchten. Die
kontrollierte Kernfusion soll als friedliches Mittel eingesetzt werden. Es gelang sogar schon
eine Fusion durchzuführen, nur leider verbrauchte diese durch hochkomplizierten Aufbau
mehr Energie als sie hergab. Nun wird auf die Kernfusion unter Einsatz von
Höchstenergielasern gehofft:
Dabei wird mittels eines Laseroszillators und hoher Verstärkung soviel Energie zur Verfügung
gestellt, daß wenn damit sogenannte Pellets (=kleine Brennstoffkugeln) von allen Seiten
bestrahlt werden, eine Miniatursonne gebildet wird. Die Kernverschmelzung muß allerdings
so schnell erfolgen, daß sie abgeschlossen ist bevor die Kugel auseinanderbricht. Die
Brennstoffkugel besteht aus einem Gemisch von Deuterium (schwerer Wasserstoff) und
Tritium (radioaktiver superschwerer Wasserstoff). Für die Pellets werden noch verschiedene
Bauformen getestet, wobei bei einer Bauform sogar verfestigtes Deuterium und Tritium
eingesetzt werden. Doch bis jetzt ist eine Fusion unter Energiegewinnung noch nicht geglückt.
Bei der Isotopentrennung mit Lasern nützt man eine Molekülvorstellung aus, bei der die
Atome Massenkugeln sind, die mit Federn verbunden sind. Wird nun das System in
Bewegung gesetzt, so fängt es an zu schwingen. Dabei existieren in jedem Molekül
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unterschiedliche energetische Schwingungszustände. Bei einer bestimmten Energie zerbricht
das Molekül. Dieser Vorgang heißt Dissoziation. Normalerweise befinden sich Moleküle in
der energetisch niedrigsten Stufe. Durch Laserstrahlung kann man energiereiche
Schwingungen anregen. Das funktioniert besonders gut wenn die Energie eines Laserphotons
genau der eines Schwingungszustandes entspricht, da hier Resonanz auftritt. Meistens
verwendet man zur Anregung Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von etwa 10 µm. Dann wird
das Molekül durch Strahlung gleicher oder anderer Wellenlänge dissoziiert, wobei mehrere
Photonen absorbiert werden.
Militärische Projekte in Verbindung mit Lasern waren von Anfang an zum Scheitern
verurteilt, da die Technologie noch nicht so ausgereift ist. 1983 investierte z.B. der damalige
US-Präsident Ronald Reagan Milliarden des Staatskapitals in die Strategic-Defense-Initiative
(SDI). Dabei wurden jene Milliarden der militärischen Laserforschung zugeführt, um ein
Abwehrprogramm gegen (russische) Interkontinentalraketen zu entwickeln. Das ganze Projekt
wurde ein einziges Chaos und wurde kurz nach dem Ende des kalten Kriegs auf Eis gelegt.
Während der Forschung wurden chemische Laser, Excimer- und Freie-Elektronen-Laser als
mögliche Weltraumwaffen getestet.
Beim nicht direkten Einsatz von Lasern als Waffen, verlief die Entwicklung wesentlich
erfolgreicher. So sind Laser heute vor allem als Zielsysteme für Raketen und Kanonen im
Einsatz
6) Holographie (griech. holos = vollständig, graphein = schreiben) dreidimensionale
Lichtbilder
Durch Laserlicht können Objekte dreidimensional dargestellt werden, während normale
Photographie nur zweidimensionale flache Bilder abbildet.
Um das Prinzip der Holographie zu begreifen muß man wissen was Licht ist: Licht ist eine
elektromagnetische Welle, ähnlich einer Wasserwelle. Der Abstand zwischen zwei
Wellenbergen heißt Wellenlänge und gibt beim Licht die Farbe an. So hat zum Beispiel rotes
Licht die Wellenlänge von 0,65 µm (lang) und blaues 0,5 µm (kurz). Die Sonne oder Lampen
erzeugen Licht, daß dann in alle Richtungen ausgesendet, gestreut, absorbiert oder reflektiert
wird. Von einem Gegenstand breitet sich dann eine Lichtwelle (=Objektwelle) aus. Aus dieser
Schwingung kann man ablesen:
• Die Wellenlänge, die die Farbe angibt.
• Die Helligkeit ist durch die Amplitude (Höhe) der Schwingung gegeben.
• Die dreidimensionale Struktur des Objekts ist in der Form der Wellenfronten gegeben. Das
heißt es gehen von einem Gegenstand verschieden gekrümmte Wellen aus, die ihn
beschreiben. Da der Mensch mit zwei Augen sieht, entsteht im Hirn ein dreidimensionaler
Eindruck, weil man praktisch gleichzeitig von zwei verschiedenen Punkten Lichtwellen
empfängt.
Die Holographie ist jene Technik mit der es praktisch gelingt, dreidimensionale Objektwellen
einzufangen und "einzufrieren". Wenn zu einem späteren Zeitpunkt das holographische Bild
beleuchtet wird kann man den Gegenstand dreidimensional sehen. Das kann man auf einem
Foto nicht. Die Holographie wurde von Dennis Gabor von 1948 bis 1951 entwickelt, dann
von den beiden Amerikaner Leith und Upatnieks weiterentwickelt.
Das Herstellen von einem Hologramm erfolgt wie bei der Fotografie durch Speicherung auf
einer Photoplatte, jedoch nicht als Bild des Objekts. Die Lichtwellen bei einem Hologramm
müssen sehr gleichmäßig strukturiert sein, daher verwendet man den Laser.
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Die Aufnahme eines Hologramms basiert auf dem Prinzip der Interferenz
(Wellenüberlagerung). Der aufzunehmende Gegenstand wird mit dem Laser beleuchtet und
strahlt eine gekrümmte Objektwelle ab. Diese fällt auf eine Photoschicht, die sehr feinkörnig
sein sollte.
Dort wird sie von einer ebenen Welle überlagert (Referenzwelle) und es entsteht ein
kompliziertes Lichtmuster in Form einer Gitterstruktur. An manchen Stellen überlagern sich
zwei Wellenberge und es herrscht Helligkeit. Dazwischen ist es dunkel, da Berg und Tal sich
aufheben. Das Interferenzmuster wird in der Fotoschicht gespeichert, der Film wird belichtet
und entwickelt. Das fertige Hologramm besteht aus hellen und dunklen Streifen. Der Abstand
dazwischen beträgt nur etwa 1 µm, daher kann ihn das Auge nicht sehen. Würde man statt des
Lasers eine normale Lampe verwenden, würde ein verwackeltes und verwischtes Muster
entstehen, da die Wellen unregelmäßig sind. Daher können Hologramme in guter Qualität nur
unter Verwendung eines Lasers aufgezeichnet werden. Zum Betrachten des Hologramms ist
eine Beleuchtung nötig, die der Referenzwelle ähnelt, ansonsten entsteht ein verwackeltes,
unscharfes Bild, da sich die Wellen nur teilweise überlagern.
Zeittafel:
Wann Was
1917 Einführung des Begriffs der “stimulierten Emission”
1958 Vorschlag zur Lichtverstärkung durch stimulierte
Emission im optischen Bereich
1959 Vorschlag zu Aufbau von Gaslasern
1959 Vorschlag zu Aufbau von Halbleiterlasern
1960
1961
1962
1964
1964
1964
1966
1970
1975
1977
1991
Erster Festkörper-(Rubin-)Laser (tiefrot)
Erster He-Ne-Gaslaser
Halbleiterinjektionslaser
Argonlaser (blaugrün)
CO2-Laser (infrarot)
Nd:YAG-Laser
Farbstofflaser
kontinuierlicher Betrieb von Halbleiterlasern bei
Zimmertemperatur
Edelgas-Halogen-Excimerlaser
Elektronenstrahllaser (FEL)
Diodenlaser mit blauer Emission
Wer
A. Einstein
A. L. Schawlow,
C. H. Townes
A. Javan
N. G. Basov, B. M. Wul, J. N.
Popov
T. H. Maiman
A. Javan
M. I. Nathan, W. P. Duncke
W. B. Bridges
W. L. Faust
J. E. Geusic
P. P. Sorokin
I. Hayashi
G. A. Hart
D. A. G. Deacon
M. A. Haase
CO…Kohlenmonoxid
CO2…Kohlendioxid
Cr…Chrom
Cu…Kupfer
Er…Erbium
F…Fluor
He…Helium
Ho…Holmium
Kr…Krypton
N…Stickstoff
Glossar:
Ar…Argon
Au…Gold
Br…Brom
Cd…Cadmium
Cl…Chlor
Co…Kobalt
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µm…Mikrometer
mA…Milliampere
mJ…Millijoule
mm…Millimeter
mW…Milliwatt
nm…Nanometer
ns…Nanosekunde
Pa…Pascal
s…Sekunde
W…Watt
Ws…Wattsekunde
Nd…Neodym
Ne…Neon
Ni…Nickel
O…Sauerstoff
Se…Selen
Xe…Xenon
YAG…Y3Al5O12 (Yttrium-AluminiumGranat)
As…Amperesekunde
cm…Zentimeter
GW…Gigawatt
kJ…Kilojoule
kW…Kilowatt
Hz…Hertz
kHz…Kilohertz
Quellenangabe:
Laser - High-Tech mit Licht; H. J. Eichler und J. Eichler; 1995 Springer Verlag
Laser - Grundlagen, Systeme, Anwendungen; H. J. Eichler und J. Eichler; 1991 Springer
Verlag
Laser in Industrie und Technik; D. Bimberg; 1977 Technische Akademie Esslingen
Laser - Technik und Anwendung; F. Bergtold; 1971 Verlag M. Frech Stuttgart
Laser - Sicherheitstechnische Festlegungen für Lasergeräte und -anlagen; 1995 VDE-Verlag
P.M. Perspektive - Laser; 1989
Firma Meithner Produktinformation
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Das Wort LASER ist die Abkürzung für Light amplification by

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