LASER

LASER steht als Abkürzung für das englische "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Strahlung) und bezeichnet ein Gerät zur Erzeugung und Verstärkung von zusammenhängender und extrem gebündelter, elektromagnetischer Strahlung mit exakt bestimmter Wellenlänge.

Erläuterung

Das physikalische Phänomen des Lasers basiert auf dem optischen Energieaustausch, welcher zuerst mit Gaslasern nachgewiesen werden konnte. Hierbei handelt es sich um eine Lichtverstärkung, mit der ein stark gebündelter einfarbiger Lichtstrahl erzeugt werden kann. Dieser Lichtstrahl geht auch über größere Entfernungen nur minimal auseinander.

Während man heute von den verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, entsprechend auch von Röntgen-, UV- oder Infrarot-Lasern, spricht, war früher nur sichtbares Licht gemeint.

Physikalisches Prinzip

Der Laser geht auf eine Entdeckung Albert Einsteins aus dem Jahr 1917 zurück, nach der ein auf ein Atom oder Molekül treffendes Licht (oder andere elektromagnetische Strahlung) unter gewissen Bedingungen die Emission von Lichtquanten mit identischen physikalischen Eigenschaften auslösen kann.

Dieser als "stimulierte Emission" bezeichnete Effekt ist nur im Rahmen der Quantentheorie zu verstehen. Seine Entdeckung war ein wichtiger Wegbereiter für deren Formulierung in den 1920er Jahren.

Eigenschaften des Laserlichts

Da die bei der stimulierten Emission erzeugten Lichtquanten alle die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweisen, haben sie insbesondere gleiche Richtung und Phasenlage. Dies bedeutet, dass, wenn man die Lichtquanten im Wellenbild betrachtet, die Berge und Täler der Laserlichtwellen nicht gegeneinander verschoben sind; sie bleiben in diesem zusammenhängenden Zustand, solange sie sich ungehindert ausbreiten.

Es kann zu einer Phasenverschiebung kommen, wenn sie auf ein Hindernis treffen, an dem sie reflektiert oder gebrochen werden. Werden die Wellen anschließend an einem Punkt zusammengeführt, so überlagern sie sich und wirken aufeinander ein. Diese Wirkung macht man sich z.B. bei der Erzeugung von Hologrammen, in der Messtechnik oder in der Gravitationswellendetektoren zunutze.

Die einheitliche Richtung der Lichtquanten bedeutet eine extrem starke Bündelung der Laserstrahlen. Dies ermöglicht u.a. äußerst präzise Anwendungen in der Materialbearbeitung und der Chirurgie.

Die nahezu ideale Einfarbigkeit (Farbreinheit) der Laserstrahlen erlaubt als eine weitere wichtige Eigenschaft des Laserlichts u.a. die gezielte Anregung chemischer Reaktionen.

Aufbau und Bauarten

Grundsätzlich benötigt ein Laser vier Komponenten:

• das Lasermedium, in dessen Atomen eine Besetzungsinversion hervorgerufen werden kann,
• eine Pumpvorrichtung zur Erzeugung der Besetzungsinversion,
• einen Resonator, welcher die emittierten Laserquanten zwecks Verstärkung im Medium hält, sowie
• eine steuerbare Einheit, mit der sich die Laserstrahlung auskoppeln lässt.

Laserarten

Der erste in 1960 konstruierte Laser besaß als Medium einen Rubinkristall , dessen Kanten so verspiegelt waren, dass er gleichzeitig als Resonator diente.

Heute unterscheidet man nach ihrem Lasermedium:

• Excimerlaser,
• Farbstofflaser,
• Farbzentrenlaser,
• Festkörperlaser,
• Freie-Elektronen-Laser
• Gaslaser
• Halbleiterlaser

Einsatzgebiete

Laserstrahlung wird heute in vielfältigster Weise genutzt, wobei sich die meisten Einsatzgebiete grob in drei Gruppen zusammenfassen lassen:

Bearbeitung von Materialien und biologischem Gewebe

Die hohe Fokussierbarkeit der Strahlung erlaubt in der Materialbearbeitung, Chirurgie oder Zahnmedizin das Abtragen von Material mit einer Präzision im Mikrometerbereich.

Kommunikation/Informationsverarbeitung

In der Informationsverarbeitung wird vor allem die Bündelung der Laserstrahlung ausgenutzt. So finden sich Laser heute z.B. in optischen Laufwerken wie CD, DVD oder holographische Speicher sowie Strichcode-Scannern und Laserdruckern.

Aufgrund ihrer minimierten Abmessungen und der leichten Herstellbarkeit werden vor allem in der Kommunikations- und Informationstechnik Halbleiterlaser bzw. Laserdioden eingesetzt.

Auch die optische Datenübertragung über Lichtwellenleiter (Glasfaserkabel) arbeitet oft mit Lasern als Sendern.

Ein ebenso starker Fokus liegt in der Umstellung der Computertechnik von Elektronen auf Lichtquanten (optischer Computer).

Messwesen

Im Messwesen dienen Laser nicht nur zur Entfernungsmessung oder der interferometrischen Materialprüfung. Sie sind u.a. auch Bestandteil von Atomuhren und es werden mehrere SI-Basiseinheiten (u.a. Meter, Sekunde) über Aufbauten mit Hochpräzisionslasern dargestellt.

Neben den genannten Verwendungen gibt es auch Versuche, Laser militärisch als Waffen oder in der Energietechnik zur Einleitung von Kernfusionen einzusetzen, sowie alltägliche Anwendungen wie den Laserpointer.

Daneben wird vom Laser auch in der Kunst, so z.B. bei holographischen Kunstobjekten oder der Lichtkunst, immer häufiger Gebrauch gemacht.

Warnung beim Umgang mit Lasern

Da beim Betrieb von Lasern punktuell sehr hohe Leistungen auftreten können, sind die Unfallverhütungsvorschriften streng zu beachten, um so direkte und indirekte Gesundheitsschäden (Gefahr von Augenschäden, Brandgefahr usw.) durch den Umgang mit Lasern zu vermeiden .