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Die Theorie des Lasers

Im folgenden Beitrag befassen wir uns mit der Theorie des Lasers – von der Begriffsdefinition und den Anfängen des Lasers bis hin zu den verschiedenen Lasertypen, ihrem Aufbau und den einzelnen Anwendungsgebieten.


Was versteht man unter einem Laser? Der Begriff „Laser" steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ und heißt übersetzt „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung”. Ein Laser ist also nichts anderes als Licht mit einer extrem starken Leistungsdichte.

Die Entstehung von Licht

Allgemeines Licht geht in der Regel von einer Quelle aus. Dies kann ein glühender natürlicher Festkörper wie die Sonne sein, ein heißes Gas oder eine künstlich hergestellte Glühlampe. Lichtentstehung ist ein Vorgang im Atom. Das Bohrsche Atommodell erklärt die Elektronenbewegung auf strahlungsfreien Bahnen, was eine konstante kinetische und potentielle Energie gegenüber dem Atomkern bedeutet. Diese Bahnen sind fest definiert und klaren Regeln unterworfen, den sogenannten Quantenzahlen. Wechselt ein Elektron eine Bahn, geschieht dies in Verbindung mit Energieaufnahme bzw. Energieabgabe. Die Elektronen werden also zuerst durch Zufuhr von Energie „angeregt“, sprich auf ein höheres Energieniveau gebracht. Da dieser Zustand nicht stabil ist, fällt das angeregte Elektron nach kurzer Zeit wieder in den Ursprungszustand zurück. Die zuvor erhaltene Energie wird in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben.

Dabei befindet sich das Atom im ständigen Austausch von Energie mit anderen Atomen aus der Umgebung. Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder und führt zu einer Strahlungsabgabe unterschiedlicher Frequenzen bzw. Wellenlängen (Inkohärenz). Befindet sich die Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts, sieht man den Körper leuchten. Dieser Vorgang wird auch spontane Emission genannt. Die entstehenden Strahlungen bzw. Photonen sind ungerichtet und haben keine Beziehung zueinander.

Wie auch Licht im Allgemeinen, entsteht Laserlicht während eines genau definierten Übergangs eines Atoms von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand. Um den Laserstrahl kontinuierlich zu erzeugen, ist es nötig, Energie von außen zuzuführen. Dies kann unterschiedlich geschehen: Bei Gaslasern durch elektrische Stromimpulse, indem die Moleküle den Ruhezustand verlassen und beginnen zu rotieren bzw. zu schwingen. Bei Festkörperlasern meist durch intensive optische Bestrahlung, wodurch Elektronen auf ein höheres Energieniveau übergehen.

Beim Rückfall in den Grundzustand wird die Energie wieder als elektromagnetische Strahlung freigesetzt. Trifft diese Elementarstrahlung auf ein noch angeregtes Teilchen, wird auch hier die Rückkehr in den Grundzustand erzwungen, und so geht es weiter. Aus einer Elementarstrahlung sind nun zwei geworden. Man spricht hier auch von der stimulierten Emission. Alle Strahlungen haben eine einheitliche Richtung und Beziehung zueinander und die Strahlung wird verstärkt. Daraus ergeben sich folgende wichtige Eigenschaften des Laserlichts:

  • Laserlicht hat idealisiert eine Wellenlänge, d.h. ist einfarbig bzw. monochromatisch.
  • Laserlicht strebt nicht auseinander, hat also eine hohe Parallelität.

Laserlicht kann aufgrund der beiden genannten Punkte extrem stark fokussiert werden, wodurch auch extrem hohe Leistungsintensitäten erreicht werden.

Um eine Verstärkung der Strahlung durch stimulierte Emission herbeizuführen, müssen sich mehr Teilchen im angeregten Zustand befinden als im Grundzustand. Hierbei muss jedoch der Anregungszustand zeitlich verlängert werden, da in den meisten Materialien innerhalb von Mikrosekunden ein energetischer Rückfall stattfindet. Daher kommen nur sogenannte metastabile Materialien infrage, welche um mehrere Größenordnungen höhere Haltezeiten ermöglichen.

Um nun mehr angeregte als nicht angeregte Elementarteilchen vorzufinden, muss das Lasermaterial in einen hohen Energiezustand versetzt werden. In der Regel wird dafür ein 4-Niveau-Lasersystem verwendet. Das Material wird dabei zuerst in einen hohen, schnell entladenden Energiezustand versetzt, das darunter liegende Niveau ist metastabil. Durch die schnelle Entladung befinden sich im Energieniveau darunter folglich mehr angeregte als nicht angeregte Teilchen. Zwischen dem 2. und 3. Energieniveau findet letztlich der Laserentstehungsprozess statt.
 

Die Geschichte des Lasers

1917: Albert Einstein formuliert seine Theorie der stimulierten Emission.

1951: Charles Towns baut ein Gerät, das auf dem Prinzip stimulierter Emission Strahlung erzeugt – allerdings handelt es sich hierbei um Mikrowellen und kein Licht, das Gerät wird Maser genannt.

1959: Der Doktorand Gordon Gould beschreibt den Aufbau eines optischen Resonators zur Erzeugung von Laserlicht und benennt als erster den Begriff Laser.

1960: Theodore Maiman baut den ersten Laser auf Basis eines Festkörper-Rubinresonators, der rotes Licht emittiert. Rubinlaser werden kurz darauf in der Augenheilkunde eingesetzt.

1962: Der erste Halbleiterlaser wird entwickelt, aber erst zehn Jahre später erobert diese Laservariante den Massenmarkt als Datenlesegerät für CDs.

1964: Der erste CO2-Laser wird entwickelt, hat aber nur eine Leistung von einem Milliwatt. Vier Jahre später sind jedoch schon Leistungen im Kilowatt-Bereich möglich. Dieser Gaslaser etabliert in den folgenden Jahren die Lasermaterialbearbeitung und hier hauptsächlich das Laserschneiden und -schweißen. Die Bauform eines CO2-Gaslasers dominiert für viele Jahre in der industriellen Fertigung und wird erst Anfang des 21. Jahrhunderts durch den Festkörperlaser abgelöst.

1980er: Das Glasfaserkabel wird als neue Datenübertragungsmethode entwickelt.

1990er: Der CO2-Laser wird durch Festkörperlaser erst langsam, dann stetig vom Markt verdrängt. Anfangs war die Energieeffizienz beim Festkörperlaser deutlich schlechter als beim Gaslaser, ein Einsatz rechtfertigte sich dennoch aufgrund der besseren Fokussierbarkeit. Mit dem Aufkommen der ersten Scheiben- und Faserlaser lag die Energieeffizienz jedoch deutlich zugunsten der Festkörperlaser. Ab dem 21. Jahrhundert konnten diese Laser auch hinsichtlich Ausgangsleistung in den Kilowattbereich vordringen.

ab 2010: Die Ultrakurzpuls-Lasertechnologie (UKP) etabliert sich in der Industrie. Laserpulse im Piko- bis -Femtosekundenbereich ermöglichen einen sogenannten „kalten Abtrag“, da das Material direkt verdampft wird und keine Schmelzanteile erzeugt werden.

2010: Bei der Suche nach erneuerbaren Energien wird in den USA die laserinduzierte Kernfusion erprobt.
 

Lasertypen und ihre Eigenschaften

Heute existieren diverse Lasertypen zur Materialbearbeitung, die sich jeweils durch ihre Eigenschaften unterscheiden. Eine Einteilung der Laser findet in der Regel nach Lasermedium statt.

Festkörperlaser – Das laseraktive Medium ist hier ein dotierter Kristallstab oder ein Halbleiter. Die Anregung findet optisch durch Blitzlampen, Bogenlampen oder Laserdioden statt, oder im Falle eines Halbleiterlasers elektrisch. Typische Vertreter sind:

  • Nd:YAG-Laser: Der klassische Materialbearbeitungs-Festkörperlaser mit einer Laserwellenlänge von 1064 nm.
  • Faser- & Scheibenlaser: Die Weiterentwicklungen des klassischen Stablasers mit einer Laserwellenlänge von 1070 nm bzw. 1030 nm.

Gaslaser – Der Resonator wird hier von einem Gasgemisch durchströmt, das „Pumpen“ findet durch elektrische Gasentladungen im Gemisch statt.

  • Bekanntester Vertreter ist der CO2-Laser, der lange den Markt der Lasermaterialbearbeitung dominiert hat. Inzwischen wurde er jedoch von Festkörper- und Halbleiterlaser verdrängt.
  • Excimerlaser strahlen Laserlicht im UV-Bereich ab und wurden neben Medizintechnik-Anwendungen auch lange in der Lithographie zur Belichtung von Chipstrukturen verwendet, bis mit der EUV-Technologie wieder der CO2-Laser einen Verwendungszweck erhielt. Dieser erzeugt über Materialbeschuss ein Plasma, in dem seinerseits Sekundärstrahlung im niedrigen zweistelligen Nanometer-Bereich entsteht.

Farbstofflaser – Als laseraktives Medium wird hier ein Fluoreszenzfarbstoff verwendet. Die Besonderheit dieses Lasertyps ist seine Abstimmbarkeit auf verschiedene Wellenlängen. Farbstofflaser werden heute kaum noch eingesetzt und sind durch andere durchstimmbare Varianten, wie Titan-Saphir-Diodenlaser, ersetzt worden.
 

Was sind die Bestandteile eines Lasers?

Ein Lasersystem besteht grundlegend aus einem Resonator, der Strahlführung sowie der Strahlfokussierung. Der Anlagenteil zur Erzeugung von Laserstrahlung wird als Resonator bezeichnet, Kernmodul ist immer das laseraktive Medium. Beides kann in Abhängigkeit zum Lasertyp unterschiedlich aufgebaut sein. Beispielhaft sind einige Lasertyp-Resonatoren aufgeführt.
 

Klassischer Aufbau eines Festkörper-Resonators

Festkörper-Resonator – Klassischer Aufbau


Durch Zufuhr von externer Energie wird optische Energie in das Medium „gepumpt“ und eine energetische Anregung findet statt. Üblicherweise sind hier z.B. Gasentladungslampen (klassische, alte Laser) oder Laserdioden um das Lasermedium angeordnet.

Am Beispiel des Nd:YAG-Laserkristalls besteht das Trägermaterial aus YAG (Yttrium-Aluminium-Granat). Neodym ist eindotiert und bildet das eigentliche laseraktive Medium.

Durch stimulierte Emission wird Laserstrahlung erzeugt, die an beiden Spiegeln hin und her reflektiert wird. Nur ein kleiner Anteil kann an einem teildurchlässigen Spiegel nach außen gelangen und steht für die Materialbearbeitung zur Verfügung.

Nachteil dieses Systems ist die Kühlung eines Stabkristalls mit endlicher Dicke und Länge – denn die Mitte ist immer heißer als die Außenbereiche. Die Lösung für das Problem ist entweder ein Kristall als sehr dünne Scheibe (=Scheibenlaser) oder als sehr lange Faser (=Faserlaser).


Aufbau eines Faserlaser-Resonators

Aufbau eines Faserlaser-Resonators


Beim Faserlaser-Resonator ist die Faser selbst der Resonator, „gepumpt“ wird durch Laserdioden in die Faser hinein. Klassische Fasern bestehen aus einem Kern und einem Mantel: Die Pumpstrahlung durchläuft Mantel und Kern, wird aber an der Faseraußenwand totalreflektiert. Die erzeugte Laserstrahlung im Kern wird an der Grenzfläche Kern-Mantel totalreflektiert. Im Gegensatz zum klassischen Resonator findet nur ein Durchlauf durch die Faser statt, keine Mehrfachreflexion zwischen zwei Spiegeln. Durch extrem kleine Fasern sind unglaublich hohe Strahlqualitäten möglich.


Aufbau eines Scheibenlaser-Resonators

Aufbau eines Scheibenlaser-Resonators


Beim Scheibenlaser ist eine sehr dünne Scheibe das laseraktive Medium, die Rückseite davon ist verspiegelt und wird gleichzeitig gekühlt. Durch ein Spiegelsystem findet ein mehrfacher Durchlauf der Pumpstrahlung durch die Scheibe statt. Durch die Kombination von mehreren Scheiben in einem Resonatorsystem sind sehr große Leistungen möglich.


Aufbau eines Gaslaser-Resonators

Aufbau eines Gaslaser-Resonators


Ähnlich einem klassischen Festkörperresonator, befindet sich das laseraktive Medium im Mittelpunkt und etwaige erzeugte Laserstrahlung wird zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert. Anders ist hier jedoch, dass das laseraktive Medium als Gasgemisch vorliegt. Am Beispiel des CO2-Lasers ist dies ein Stickstoff-Helium-Kohlenstoffdioxid-Gemisch. Die Gasanteile erfüllen die Funktionen als Pumpgas, Kühlgas und Stoßpartner für das CO2-Molekühl und bilden das aktive Medium. Angeregt wird dabei durch elektrische Entladungen. Die Energieweitergabe findet nicht durch die Anregung von Elektronen, sondern durch die Anregung von Molekülen zu Schwingungszuständen statt.


Anwendungsgebiete von Lasern

„Laserphysik und Quantenoptik sind die Grundlagen einer Renaissance der Optik. Das zu Ende gehende Jahrhundert war das Jahrhundert des Elektrons. Ich bin überzeugt, dass das 21. Jahrhundert das des Photons (Licht) wird. Der Laser entwickelt sich zu einem universellen Werkzeug in sehr vielen Bereichen.“ (Prof. Dr. Günther Huber, 1999 auf dem 10. Norddeutschen Lasertag)

Das klassische Anwendungsgebiet von Lasern ist die Lasermaterialbearbeitung: Laserschweißen, Laserschneiden, Laserbohren, Laserbeschriften, Lasersintern und Oberflächenbehandlungen wie die UKP-Bearbeitung, das Laserhärten und Laserpolieren.
 

Weitere Anwendungsgebiete:

Einsatz im Alltag: Beim Lesen und Schreiben von CD’s, DVD’s und Blu-Rays, als Barcodescanner an der Kasse oder der Packstation, im Laserdrucker oder als Laserpointer.

Vermessungstechnik: In der Entfernungsmessung (Straßenbau), als Richtstrahl (z.B. Tunnelbau) oder hochgenaue Positionierung (Logistik).

Medizintechnik: Bei der Beseitigung von Tumoren (laserindizierte Thermotherapie), Verödung von Krampfadern, Korrekturen von Linsenfehlern des Auges.

Fertigungstechnik: Beim Fügen von artgleichen und artfremden Werkstoffen (Laserschweißen, Laserlöten), dem Trennen eines Werkstücks (Laserschneiden, Laserbohren) und der Oberflächenbearbeitung (Laserbeschriftung, Laserstrukturierung, Laserhärten, Laserpolieren, Laserreinigen).

Forschung: Bei der laserinduzierten Kernfusion und bei atmosphärischen Untersuchungen, wie z.B. der Wolkenhöhe (LIDAR) oder der Massenspektroskopie.

 

Ein Beitrag von Eric Punzel

 

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