Was ist ein Laser? Ein Laser ist grob gesagt ein "Energieumwandler für elektromagnetische Schwingungen im Bereich der Lichtwellen".

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1 Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Das Wort LASER ist die Abkürzung für Light amplification by stimulated emission of radiation. Zu deutsch bedeutet das Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Was ist ein Laser? Ein Laser ist grob gesagt ein "Energieumwandler für elektromagnetische Schwingungen im Bereich der Lichtwellen". In Grundzügen kann man die Funktionsweise eines Lasers mit der einer Glühlampe vergleichen. Dem Glühfaden der Glühlampe wird elektrische Energie zugeführt. Die Metallatome des Glühfadens laden sich mit dieser Energie auf, d.h. sie treten in einen höheren Energiezustand und geben diese Energie in Form von Lichtteilchen wieder ab. Jedes Atom sendet bei dieser Energieänderung seine Photonen unabhängig von den anderen Atomen aus. Ergebnis: Es entstehen Lichtwellen mit ganz unterschiedlichen Wellenlängen. Diese Frequenzen nehmen das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes ein. Das Gemisch aller Farben im Bereich des sichtbaren Lichtes empfindet unser Auge als weiß. Die Glühlampe erzeugt durch die Energiezufuhr Lichtwellen, die sich nach allen Seiten ausbreiten, ganz im Gegensatz zum Laser. Der erste Unterschied zwischen Glühlampe und Laser besteht darin, dass der Laser ein (nahezu) paralleles Lichtbündel erzeugt (d.h. alle Lichtstrahlen werden in die gleiche Richtung ausgesendet), das nur aus einer einzigen Farbe besteht (es ist "monochromatisch"). Die Wellenlänge dieses vom Laser ausgesandten Lichtbündels variiert von infrarot bis ultraviolett. Die einzelnen Wellen dieses parallelen Lichtbündels schwingen zusammenhängend (sie sind "kohärent"). Die Intensität der Strahlung ist zudem viel höher als bei normalem Mischlicht 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. file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/10_10_05/Laser.html (1 of 6) :35:27

2 Wie entsteht nun aber der Laserstrahl? 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. Nun wird das von einer Bogen- oder Blitzlampe eingestrahlte Licht mittels des Resonatorapparates durch das Lasermedium gelenkt. 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. Wie erzeugt ein Laser ein"lichtbündel"? Ein bestimmter Stoff, z.b. ein Rubinkristall, wird durch Bestrahlung von außen dazu angeregt, seinerseits besonders starke Lichtwellen auszusenden. Durch diese Eigenschaft hat das Verfahren auch seinen Namen: LASER ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", was übersetzt "Lichtverstärkung durch künstlich angeregte Aussendung von Strahlung" bedeutet. In einem Rubinlaser ist eine sehr helle Quecksilberdampflampe installiert. Der Rubinkristall wird von dieser Lampe "umschlossen". Mit der Quecksilberdampflampe werden sehr helle Lichtblitze erzeugt. Durch dieses Blitzlicht werden die im Rubinkristall enthaltenen Chromatome mit Energie aufgeladen. Diese aufgeladenen Chromatome geben nun Photonen ab, die sich in Richtung auf die beiden Enden des Rubinkristalls in Bewegung setzen. Die eine Seite des Rubinkristalls ist vollverspiegelt, die andere Seite ist teilverspiegelt. Die "abgeschossenen" Photonen prallen nun auf die Verspiegelungen am Ende des Kristalls und werden "zurückgeschleudert". Dieses Verfahren wird "optisches Pumpen" genannt. Es entsteht eine Art Kettenreaktion: Immer mehr Chromatome werden angeregt, ihre Photonen (Lichtquanten) abzugeben. Dadurch fliegen weitere Lichtteilchen durch den Rubinkristall. Der Lichtstrahl wird immer mehr verstärkt. Wenn der Strahl eine bestimmte Kraft (Intensität) erreicht hat, "schießt" er durch die teilverspiegelte Stirnfläche als dunkelroter (beim Rubinlaser), gleichschwingender Lichtstrahl nach außen. file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/10_10_05/Laser.html (2 of 6) :35:27

3 Die Entwicklung des Laser :Vom Maser zum Laser Bereits im Jahre 1917 erklärte der Physiker Albert Einstein, daß ein "Aufladevorgang" (Physiker nennen das eine "Induzierte Emission"), wie er beim später entwickelten Laser stattfindet, möglich sein müsse. Die Wissenschaftler R. Ladenberg und H. Kopfermann verwendeten bei ihren "Aufladeversuchen" im Jahre 1927 verschiedene Gase. Die erste Lichtverstärkung gelang dem sowjetischen Physiker W.A. Fabrikant im Jahre Der nächste Schritt in der Laserentwicklung gelang dem deutsch-französischen Physiker Alfred Kastler Er entwickelte das System des "optischen Pumpens": Kastler bestrahlte Atome mit Licht solcher Frequenz, das von den Atomen absorbiert ) werden konnte. Die Atome gerieten in einen höheren Energiezustand und gaben das "aufgesaugte" Licht dann verstärkt ab. Kastler machte einen Teil seiner Versuche mit sichtbarem Licht, experimentierte zusätzlich aber auch mit Radiowellen. Die durch die Bestrahlung mit Radiowellen erfolgte Mikrowellenverstärkung wurde später unter der Bezeichnung MASER bekannt. MASER ist die Abkürzung für "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation", was übersetzt "Mikrowellenverstärkung durch künstlich angeregte Aussendung von Strahlung" bedeutet Verantwortlich für die Entwicklung des Masers waren u.a. die amerikanischen Physiker Charles Hard Townes, Arthur Leonard Schawlow und H.J. Zeiger. Sie beschäftigten sich, von der Radartechnik ausgehend, mit dem Bau von Mikrowellenlasern. Das Maser-Prinzip wurde 1951 von Townes formuliert. Townes verwendete Ammoniakmoleküle. Er bestrahlte diese Moleküle mit einer Mikrowelle, deren Frequenz mit der Eigenfrequenz der Ammoniakmoleküle übereinstimmte. Durch diese Bestrahlung wurden die Moleküle in einen höheren Energiezustand versetzt, die ihre Strahlung dann wieder verstärkt abgaben. Es entstand also eine Mikrowelle mit sehr hoher Intensität. Im Jahre 1953 war dann auch der erste in den USA entwickelte Gasmaser fertig. Der erste Laser Seit 1957 hatte Townes die Idee, im Maser statt Mikrowellenbestrahlung eine Lichtbestrahlung zu verwenden. Diese erste Theorie des Lasers, die 1958 erschien, wollte Townes sich nun patentieren lassen. Dabei gab es allerdings ein Problem für ihn: Der Atomphysiker Gordon Gould hatte sich ebenfalls mit der Theorie eines Lasers beschäftigt und bereits 1957 Aufzeichnungen über seine Versuche beim Notar hinterlegt. Es kam zu einem endlosen Rechtsstreit, der erst 1977 mit einem Teilerfolg für Gould endete. Doch war es eben nur ein Teilerfolg, denn bereits 1960 wurde der Laser für Townes und Schawlow patentiert - oder besser gesagt: die Laseridee. Denn bis jetzt war es eben eine file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/10_10_05/Laser.html (3 of 6) :35:27

4 bloße Theorie, gebaut wurde der Laser bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht. Zahlreiche Forscher "stürzten" sich auf das Laser-Projekt. Der erste funktionierende Rubinlaser wurde jedoch nicht von einer großen Universität entwickelt sondern vom amerikanischen Physiker Theodore Harold Maiman in einem kleinen Nebenlabor der Hughes Aircraft Company. Dieser Rubinlaser wurde 1960 präsentiert, im gleichen Jahr also, in dem das Patent an Townes und Schawlow vergeben wurde. Arten von Lasern Gibt vier Gruppen in die Laser unterteil werden: Feststofflaser 1. Neodymlaser. 2. Rubinlaser: 3. Vibronische Festkörperlaser Gaslaser 1. Atomare Laser Der Helium-Neon-Laser 1. Infrarot-Moleküllaser 2. Der Kohlendioxid-Laser 3. Ionenlaser 4. Metalldampfionenlasern 5. Edelgasionenlaser Argonlaser He-Cd- und He-Se-Laser: 1. Ulraviolettmoleküllaser 2. N 2 -Laser file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/10_10_05/Laser.html (4 of 6) :35:27

5 Flüssigkeitslaser Halbleiterlaser Anwendungen von Lasern Medizin: Augen Hals, Nasen, Ohren Harnsystem Magen und Darm Haut (Tätowierungsentfernung) Gefäße Zähne Gehirn Schneiden ohne Blutung: Hauptsächlich wird der CO 2 -Laser verwendet Laserdrucker, CD- Laufwerke Kommunikation durch Laserstrahlung (Telefonleitungen, Telekabel, Photonik, Glasfasern) Materialbearbeitung Mit gebündelter, intensiver Laserstrahlung lassen sich beliebige Materialien bohren, schneiden, schweißen oder anders bearbeiten Das einzige wirkliche Problem besteht in den Kosten für die aufwendigen Anwendungen von Höchstleistungslasern Laser mit hoher Kilowattzahl werden vor allem in der Materialbearbeitung eingesetzt Höchstleistungslaser werden auch zur Militärbekämpfung verwendet file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/10_10_05/Laser.html (5 of 6) :35:27

6 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 Laserstrahlaustrittsöffnungen, Justiereinrichtungen und Energieversorgung mitgeliefert werden. file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/10_10_05/Laser.html (6 of 6) :35:27