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Laser [ËleÉȘzÉ] (Akronym fĂŒr engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation âLichtverstĂ€rkung durch stimulierte Emission von Strahlungâ) ist ein Begriff aus der Physik. Er bezeichnet sowohl den Effekt, mit dem kĂŒnstlich gerichtete Lichtstrahlen erzeugt werden können, als auch den als Strahlquelle dienenden technischen Aufbau.
Laserstrahlen haben Eigenschaften, die sie von Licht aus klassischen Lichtquellen, wie beispielsweise einer GlĂŒhlampe, unterscheiden. Es sind sehr enge Frequenzspektren (monochromatisches Licht), hohe ParallelitĂ€t, groĂe KohĂ€renzlĂ€ngen der Strahlung sowie periodisch sehr exakt gepulstes Licht möglich. Aufgrund dieser Eigenschaften gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Technik und Forschung sowie im tĂ€glichen Leben. Die Anwendungen reichen von der einfachen Anzeige (z. B. Laserpointer bei PrĂ€sentationen) ĂŒber EntfernungsmessgerĂ€te, Schneid- und SchweiĂwerkzeug bis hin zum Laserskalpell und anderen Laser-unterstĂŒtzten Methoden im medizinischen Alltag.
Allen Laserstrahlen ist der Entstehungsprozess, die stimulierte Emission, gemein. Ein Laser stellt im Allgemeinen einen rĂŒckgekoppelten VerstĂ€rker fĂŒr die Strahlung dar. Die VerstĂ€rkung wird in einem Lasermedium (bspw. einem Kristall, einem Gas oder einer FlĂŒssigkeit) innerhalb eines Resonators erreicht, welchem durch optisches Pumpen oder auf andere Weise Energie zugefĂŒhrt wird, um eine Besetzungsinversion zu erreichen. Laser gibt es fĂŒr Strahlungen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums: von Mikrowellen ĂŒber Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett bis hin zu Röntgenstrahlung.
Inhaltsverzeichnis |
Der Laserbetrieb basiert auf der stimulierten Emission von Strahlung. Stimuliert wird dabei das sogenannte Lasermedium, das kann sowohl gasförmig (CO2), flĂŒssig (Farbstofflösungen) oder fest (Rubinkristall) sein. ZunĂ€chst wird dieses Material durch eingespeiste Pumpleistung in einen metastabilen, angeregten Zustand versetzt. Dann genĂŒgt eine Stimulierung durch ein Photon mit der auszustrahlenden Energie, dass das angeregte Atom wieder in seinen Grundzustand zurĂŒckfĂ€llt und dabei ein Photon der identischen Energie (also identischer WellenlĂ€nge und Frequenz) sowie identischer Phasenlage wie das stimulierende Photon aussendet. Auf diese Weise wirkt das Lasermedium wie ein LichtverstĂ€rker. Das âfrisch entstandeneâ Photon kann dann seinerseits andere angeregte Atome zur Ausstrahlung stimulieren.
Zu dieser VerstĂ€rkerwirkung kommt dann noch hinzu, dass sich die Anordnung in einem Resonator (s. u. bei Laserresonator) befindet, der durch seine Abmessungen auf die gewĂŒnschte WellenlĂ€nge abgestimmt ist. So hat ein Photon bei mehrfachem Durchlaufen des Lasermediums genĂŒgend Chancen, andere Atome zu stimulieren. Der Resonator ist im Prinzip aus zwei Spiegeln an den Enden der Anordnung gebildet. Durch diese Spiegel wird auch die Richtung des generierten Lichtstrahls endgĂŒltig festgelegt. Ein Spiegel ist dann teildurchlĂ€ssig ausgefĂŒhrt, so dass ein Teil des Lichts austreten und seiner Nutzung zugefĂŒhrt werden kann.
GeprĂ€gt wurde der Begriff Ende der 1950er Jahre[3] durch Gordon Gould in Anlehnung an den Maser; Gould nutzte den Begriff erstmals 1957 in seinen Notizen. FrĂŒhe Veröffentlichungen nannten den Laser noch optical maser (optischer Maser).
Die weitere Entwicklung fĂŒhrte dann zunĂ€chst zu Gaslasern (Stickstoff-, CO2-Laser, He-Ne-Laser[4]) und danach zu Farbstofflasern (das laseraktive Medium ist flĂŒssig). Eine Weiterentwicklung von Kristalltechnologien ermöglichte eine sehr starke Erweiterung des spektralen Nutzbereiches. Durchstimmbare Laser zum Anfahren einer bestimmten WellenlĂ€nge und breitbandige Laser wie z. B. der Titan-Saphir-Laser lĂ€uteten in den 1980er Jahren die Ăra der Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von Piko- und Femtosekunden ein.
In den spÀten 1980er Jahren ermöglichte die Halbleitertechnologie immer langlebigere, hocheffektive Halbleiter-Laserdioden, die mit kleiner Leistung in CD- und DVD-Laufwerken oder in Glasfaser-Datennetzen eingesetzt werden und inzwischen nach und nach als Pumpquellen mit Leistungen bis in den kW-Bereich die wenig effektive Lampenanregung von Festkörperlasern ersetzen.
In den 1990er Jahren wurden neue Pumpgeometrien fĂŒr hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der VerfĂŒgbarkeit von neuen Fertigungstechniken und Leistungen bis 20 kW zunehmend Anwendungen bei der Materialbearbeitung, wo sie die bisher gebrĂ€uchlichen Typen (CO2-Laser, lampengepumpte Nd:YAG-Laser) teilweise ersetzen können.
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden erstmals nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen. Damit lieĂen sich zeitliche AblĂ€ufe im Inneren eines Atoms verfolgen. Zuletzt erreichten blaue und ultraviolette Laserdioden die Marktreife.
Inzwischen ist der Laser zu einem bedeutenden Instrument der Industrie, Kommunikation, Wissenschaft und Unterhaltungselektronik geworden.
Das grundlegende Prinzip eines jeden Lasers ist die VerstĂ€rkung von Strahlung in einem Lasermedium durch stimulierte Emission. Dazu muss sich das Lasermedium in einem optischen Resonator befinden und durch eine externe Energiezufuhr, dem optischen Pumpen, Energie zugefĂŒhrt bekommen. Je nach Medium kann auf verschiedene Weisen gepumpt werden, die hĂ€ufigsten Pumparten sind die Gasentladung, Blitzröhren, andere Laser oder Gleichstrom. Weitere zu berĂŒcksichtigende Effekte sind die spontane Emission und die Absorption. In einem Medium mit gegebenen Volumen befindet sich eine feste Anzahl <math>N</math> Atome oder MolekĂŒle mit jeweils mehreren, aber immer den gleichen Energieniveaus. Zwei dieser Niveaus, bezeichnet als unteres Laserniveau <math>E_1</math> und oberes Laserniveau <math>E_2</math> (wobei <math>E_1 < E_2</math>), bilden den LaserĂŒbergang. Die Differenz <math>\Delta N = N_1 - N_2</math> zwischen der Anzahl der Teilchen im unteren <math>N_1</math> und oberen Laserniveau <math>N_2</math> wird als âBesetzungâ bezeichnet.
Es existieren zwei grundlegende Bedingungen, die gleichzeitig erfĂŒllt sein mĂŒssen, dass ein Laser funktioniert:
Bei jedem Ăbergang zwischen zwei Niveaus aufgrund von Emission entsteht ein Photon mit der Kreisfrequenz <math>\omega = \Delta E / \hbar</math>, wobei <math>\Delta E</math> die Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus und <math>\hbar</math> das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum ist. Bei ĂbergĂ€ngen Aufgrund von Absorption geht entsprechend ein Photon dieser Energie verloren. Die Wahl des Lasermediums gibt somit die Frequenz bzw. die Farbe des Lichtes vor.
Die mathematische Beschreibung der Besetzung erfolgt ĂŒber spezielle gekoppelte Differentialgleichungen, sogenannte Ratengleichungen. Diese beschreiben den zeitlichen Verlauf der BesetzungszustĂ€nde, also die zeitliche Ănderung von <math>N_1</math> und <math>N_2</math>. Die genaue Form der Ratengleichungen hĂ€ngt davon ab, wie viele Energieniveaus neben den zwei Laserniveaus zur VerfĂŒgung stehen und genutzt werden sowie von der Art bestimmter NĂ€herungen.
Zwei stabile Energieniveaus reichen nicht fĂŒr die Konstruktion eines Lasers aus, wie im Folgenden gezeigt wird. Die Betrachtung von Zweiniveausystemen liefert jedoch die Grundlage fĂŒr Betrachtungen von Lasermedien mit mehr als zwei Energieniveaus, bei denen Laserbetrieb möglich ist. Ein theoretisches Zweiniveausystem wĂŒrde direkt vom unteren in das oberen Laserniveau gepumpt werden. FĂŒr ein Zweiniveausystem lauten die Ratengleichungen:
Dabei ist <math>A</math> der Einsteinkoeffizient fĂŒr die spontane Emission, <math>B</math> der Einsteinkoeffizient fĂŒr Absorption bzw. stimulierte Emission und <math>I</math> die IntensitĂ€t des Lichts im Resonator. Die einzelnen Terme stehen jeweils fĂŒr die Absorption bzw. Emission von Photonen und damit die Ănderung der Teilchenzahl in diesem Zustand. Da fĂŒr den Laserbetrieb die Besetzung <math>\Delta N</math> wichtig ist, wird die Differenz dieser zwei Ratengleichungen gebildet, sowie <math>N_1</math> und <math>N_2</math> durch <math>\Delta N = N_1 - N_2</math> und die Konstante <math>N = N_1 + N_2</math> ausgedrĂŒckt:
Nach einer gewissen Zeit wird sich ein Gleichgewicht einstellen, wodurch die zeitliche Ănderung der Besetzungsinversion verschwindend klein wird. Dann kann die Ratengleichung fĂŒr die Besetzung zu Null gesetzt werden (<math>\tfrac{d\Delta N}{dt} = 0</math>), was bedeutet, dass es keine weitere signifikante zeitliche Ănderung der Besetzung geben wird. Die sich ergebende Gleichung kann dann nach <math>\Delta N</math> umgeformt werden:
wobei <math>I_S = A/B</math> die SĂ€ttigungsintensitĂ€t bezeichnet. Diese Gleichung ist immer positiv, unabhĂ€ngig wie groĂ <math>I</math> wird. Dass heiĂt, es sind immer weniger Teilchen in oberen Laserniveau als im unteren. Somit ist eine Besetzungsinversion in einem stabilen Zweiniveausystem nicht möglich. Es ist somit unmöglich, in dieser Weise einen Laser zu konstruieren.
Eine anschauliche BegrĂŒndung liefern die Einsteinkoeffizienten. Sobald die HĂ€lfte aller Teilchen im Lasermedium im oberen Laserniveau sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom im unteren Laserniveau ein Photon absorbiert, genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom im oberen Laserniveau ein Photon durch stimulierte Emission abgibt. Die zusĂ€tzliche spontane Emission sorgt weiterhin dafĂŒr, dass nichtmal diese theoretische Grenze erreicht wird.
ZusĂ€tzlich zu den beiden Niveaus im Zweiniveausystem existiert in einem Dreiniveausystem ein weiteres Energieniveau <math>E_3</math> oberhalb des oberen Laserniveaus, so dass gilt <math>E_1 < E_2 < E_3</math>. Das Pumpen erfolgt diesmal vom unteren Laserniveau <math>E_1</math> in das neue Niveau <math>E_3</math>. FĂŒr das dritte Niveau wird auĂerdem die Bedingung aufgestellt, dass es viel schneller in den Zustand <math>E_2</math> ĂŒbergeht als <math>E_2</math> nach <math>E_1</math>, so dass gilt <math>N_3 \approx 0</math> oder wieder <math>N = N_1 + N_2 + N_3 \approx N_1 + N_2</math>. Dieser schnelle Ăbergang geschieht entweder strahlungslos oder per spontaner Emission. Analog zum Zweiniveausystem werden auch hier wieder Ratengleichungen aufgestellt:
Im Gegensatz zum Zweiniveausystem fehlt hier die stimulierte Emission durch den Pumpvorgang. Wieder können diese Ratengleichungen durch Differenzbildung, AusdrĂŒcken durch <math>\Delta N</math> und <math>N</math> und anschlieĂender Betrachtung des Gleichgewichtszustandes <math>\tfrac{d\Delta N}{dt} = 0</math> zu einer Gleichung fĂŒr die Besetzung umgeformt werden:
Diese Gleichung wird negativ (<math>N_1 < N_2</math>) sobald die Bedingung <math>I > I_S</math> erfĂŒllt wird. Dies bedeutet, dass sich in einem Dreiniveausystem mehr Teilchen im oberen Laserniveau befinden können und somit Besetzungsinversion möglich ist. Voraussetzung ist eine hohe IntensitĂ€t des Lichts im Resonator. Dreiniveaulaser sind somit möglich.
Bei einem Vierniveausystem kommt gegenĂŒber dem Dreiniveausystem ein weiteres Energieniveau <math>E_0</math> hinzu. Dieses befindet sich unterhalb des unteren Laserniveaus <math>E_1</math>, so dass gilt <math>E_0 < E_1 < E_2 < E_3</math>. Der Ăbergang von <math>E_1</math> nach <math>E_0</math> hat wieder als Bedingung, dass er sehr schnell geschieht. Damit Ă€ndert sich die genĂ€herte Bedingung fĂŒr die Gesamtteilchenzahl zu <math>N \approx N_0 + N_2</math> und die Gleichung fĂŒr die Bestzung wird zu <math>\Delta N = N_1 - N_2 \approx - N_2</math>. Der Pumpvorgang geschieht hierbei von <math>E_0</math> nach <math>E_3</math>. Die Ratengleichungen ergeben sich damit zu:
Auch hier ist es wieder möglich, <math>N_0</math> und <math>N_2</math> durch <math>N</math> und <math>\Delta N</math> auszudrĂŒcken sowie die Gleichgewichtsbedingung anzusetzen und nach <math>\Delta N</math> aufzulösen:
In diesem Fall ist die Besetzung immer negativ. Das bedeutet, dass ein extern angeregtes Vierniveausystem sehr gut als Lasermedium geeignet ist. Praktisch alle modernen Laser werden als Vier- oder Mehrniveausystem konzipiert.
In einem Laser wird die Strahlung, die anfĂ€nglich durch spontane Emission initiiert wurde, durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet geleitet, in dem Besetzungsinversion herrscht. Eine solche Anordnung heiĂt optischer Resonator oder Laserresonator. Durch das stĂ€ndige Hin- und Herlaufen kann eine ausreichende VerstĂ€rkung zur Ăberschreitung der Laserschwelle erreicht werden. Die Laserschwelle kann nur ĂŒberschritten werden, wenn die VerstĂ€rkung im Resonator gröĂer ist als der Verlust (z. B. durch spontane Emission, Streuung und ausgekoppelter Leistung). Diese Bedingung stellt neben der Besetzungsinversion die zweite grundlegende Voraussetzung dar, dass ein Laser funktionieren kann.
Ein Laserresonator besteht im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln, zwischen denen die Strahlung reflektiert wird, sodass sich der Weg durch das Lasermedium verlĂ€ngert. Dadurch kann ein Photon sehr oft stimulierte Emission hervorrufen. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlĂ€ssig und wird Auskoppelspiegel oder Auskoppler genannt. Dieser sorgt dafĂŒr, dass ein Teil der Strahlung das GerĂ€t als Laserstrahl verlassen kann. Lasermedien mit sehr hoher VerstĂ€rkung können unter UmstĂ€nden auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel arbeiten.
Im Resonator werden nur Frequenzen verstĂ€rkt, die die Resonanzbedingung erfĂŒllen, fĂŒr die also gilt:
Dabei ist <math>n</math> eine natĂŒrliche Zahl und <math>L</math> die ResonatorlĂ€nge. Andere Frequenzen werden durch destruktive Interferenz ausgelöscht. Ein anderer Aufbau ist der Ringresonator, bei dem das Licht durch mehrfache Reflexion einen geschlossenen Pfad durchlĂ€uft.
Die GĂŒte des Resonators (d. h. das VerhĂ€ltnis zwischen hin- und herreflektierter Strahlung zu austretender Strahlung) muss bei gering verstĂ€rkenden Medien besonders hoch sein. Ein Beispiel hierfĂŒr ist der Helium-Neon-Laser. Die ResonatorgĂŒte kann oft mittels in ihm befindlicher optischer Komponenten zeitabhĂ€ngig, aber auch hinsichtlich der WellenlĂ€nge und des lateralen Strahlprofiles beeinflusst werden, um eine gute StrahlqualitĂ€t, Frequenzkonstanz und KohĂ€renz sowie Pulsformung des Laserstrahls zu erzielen. Solche Komponenten sind z. B. Blenden, optische Schalter (GĂŒteschalter) oder frequenzselektive Endspiegel.
Die ResonatorstabilitĂ€t kann bei einfachen Resonatoren (Spiegel â aktives Medium â Spiegel) mit den sog. g-Faktoren berechnet werden. Sie sind definiert als:
Hierbei sind R1 und R2 die KrĂŒmmungsradien der beiden Resonatorspiegel und L die GesamtlĂ€nge des Resonators. Die StabilitĂ€tsbedingung lautet
Ein paraxialer Strahl verlĂ€sst selbst nach beliebig vielen Reflexionen den Resonator nicht. Ist das Ergebnis gerade 0 oder 1, ist der Resonator grenzstabil. Ein Beispiel hierfĂŒr ist der konfokale (<math>g_1 = g_2 = 0</math>), hemisphĂ€rische (<math>g_1 = 0, g_2 = 1</math>), konzentrische (<math>g_1 = g_2 = -1</math>) oder plan-plan Resonator (<math>g_1 = g_2 = 1</math>), welcher auch als Fabry-PĂ©rot-Resonator bekannt ist. In der Praxis sind diese Art Laser sehr schwierig zu justieren und laufen meistens nur dadurch, dass andere Linseneffekte den Resonator in den Bereich der StabilitĂ€t fĂŒhren. Ein solcher Effekt kann beispielsweise ein thermischer Linseneffekt sein, bei dem durch einen Temperaturgradienten im Resonator eine thermische Linse entsteht. Stabile Resonatoren beeinflussen die StrahlqualitĂ€t und die KohĂ€renzeigenschaften des Laserstrahls positiv. Der Nachteil ist die schlechte Ausnutzung des Lasermediums, da der Lichtstrahl immer wieder auf dieselben Teilchen trifft, anstatt neue Teilchen anzuregen.
Bei instabilen Resonatoren gilt <math>g_1 g_2 > 1</math> oder <math>g_1 g_2 < 0</math>. FĂŒr diese sind die Beugungsverluste sehr hoch. Jedoch können durch ein Lasermedium mit groĂem Durchmesser instabile Resonatoren vorteilhaft genutzt werden, da diese eine gleichförmige IntensitĂ€tsverteilung im Resonator erzeugen. Voraussetzung hierfĂŒr ist jedoch eine hohe VerstĂ€rkung des Lasermediums. Instabile Resonatoren werden daher meistens in Lasern verwendet, die eine hohe VerstĂ€rkung pro Resonatorumlauf besitzen und bei denen vorrangig hohe Ausgangsleistung und weniger die StrahlqualitĂ€t maĂgebend sind. Von besonderer Bedeutung ist der asymmetrische konfokale instabile Resonator, da dieser einen parallelen Ausgangsstrahl liefert.
Unterschiedliche Schwingungsformen werden Moden genannt. Als longitudinal bezeichnet man die Schwingung lĂ€ngs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Bildlich ausgedrĂŒckt handelt es sich dabei um IntensitĂ€tsberge und -tĂ€ler im Abstand einer halben WellenlĂ€nge. Bei einem He-Ne-Laser von einigen Zentimetern LĂ€nge könnte man zwischen den Spiegeln etwa 600.000 IntensitĂ€tsberge zĂ€hlen, bei einer kurzen Laserdiode nur einige Tausend.
Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte WellenlĂ€ngen und deren Vielfache besonders verstĂ€rkt, weil sich nur fĂŒr bestimmte WellenlĂ€ngen eine stehende Welle zwischen den Spiegeln ergibt.
Das Bild zeigt die IntensitĂ€tsverteilung rund um die Grundmode (angegeben als mittlere IntensitĂ€t in AbhĂ€ngigkeit von der Frequenz Îœ0).
Genauer gesagt, gilt fĂŒr die möglichen Lichtfrequenzen in einem Laserresonator der Zusammenhang:
\nu(N) = N \cdot \frac{c}{2L} </math>,
<math>\nu(N)</math> ist dabei die zulĂ€ssige Frequenz der <math>N</math>-ten Mode, <math>c</math> die Lichtgeschwindigkeit und <math>L</math> die ResonatorlĂ€nge (Abstand zwischen den Resonatorspiegeln). In dieser Formel kann man die Frequenz durch den gebrĂ€uchlicheren Begriff WellenlĂ€nge ersetzen und erhĂ€lt fĂŒr die möglichen WellenlĂ€ngen λ in einem Resonator:
Ein optischer Resonator wirkt also wie ein Kammfilter, das bestimmte aufeinanderfolgende Frequenzen verstÀrkt oder abschwÀcht.
Durch gauĂförmige Dopplerverbreiterung der an sich scharfen Emissionslinie entsteht die gauĂförmige EinhĂŒllende ĂŒber eine gewisse Anzahl von âKammzinkenâ. Auf Grund obiger Resonatoreigenschaft (und der wieder anschlieĂenden Dopplerverbreiterung) werden mehrere Teillinien der Emissionslinie des aktiven Mediums im Resonator verstĂ€rkt. Die einzelnen im Resonator verstĂ€rkten Teillinien haben ein Lorentzprofil mit sehr geringen Linienbreiten wegen der groĂen LĂ€nge der WellenzĂŒge im Resonator und da bei der Resonanz Störeffekte wie der Doppler-Effekt in den Hintergrund treten. Somit erhĂ€lt man nebenstehendes Spektrum mit mehreren Lorentz-Kurven (den sogenannten Lasermoden) mit einer gauĂförmigen EinhĂŒllenden. Da jedoch eine MindestintensitĂ€t nötig ist, damit im Resonator noch eine VerstĂ€rkung stattfinden kann, erhĂ€lt man nur eine begrenzte Anzahl Moden, da Moden, die zu weit vom Linienschwerpunkt entfernt sind, zu wenig intensiv sind um noch verstĂ€rkt zu werden. Die Strahlung benachbarter Moden ist immer orthogonal zueinander polarisiert.
Der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden ist:
Es kann sich auch ein Zustand einstellen, bei dem der Strahl zweimal durch den Resonator hin- und herlaufen muss, um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen. Dadurch wird die effektive ResonatorlÀnge verdoppelt, und die ModenabstÀnde werden auf <math>\Delta \nu = \frac{c}{4L}</math> halbiert.
Die Halbwertsbreite <math>\Delta</math> der Maxima ist
Der dabei auftretende Faktor <math> \mathcal{F}</math> wird als Finesse bezeichnet und ist die entscheidende Kennzahl fĂŒr Resonatoren, die das spektrale Auflösungsvermögen angibt. FSR gibt den freien Spektralbereich des Resonators an. Die Finesse hĂ€ngt bei VernachlĂ€ssigung der Verluste im Resonator nur vom Reflexionsfaktor <math>R</math> der Spiegel ab:
Je nach verwendeten Spiegeln kann die Finesse Werte von etwa 10 bis zu mehreren 100.000 annehmen.
In vielen Anwendungen sind mehrere longitudinale Moden unerwĂŒnscht. Eine VerkĂŒrzung der ResonatorlĂ€nge, um nur eine Mode zu erzeugen, macht aber meist keinen Sinn, da dadurch nicht die gewĂŒnschte Lichtleistung erzielt werden kann. Man behilft sich, indem im Resonator ein sogenanntes Etalon eingebracht wird. Das Etalon stellt im Prinzip einen âResonator im Resonatorâ dar, welcher nur Wellen der gewĂŒnschten Mode verstĂ€rkt, andere Moden aber unterdrĂŒckt. Man spricht in diesem Fall von Monomode- oder Singlemode-Lasern (im Gegensatz zu Multimode-Lasern).
Als transversale Moden bezeichnet man die Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bildet sich also eine Mode aus, die nicht den Raum senkrecht zu den Resonatorspiegeln ausfĂŒllt, sondern etwas schrĂ€g verlĂ€uft, so wird der Licht- und Resonatorweg lĂ€nger, und die Frequenz verschiebt sich etwas. Dieses fĂŒhrt einerseits zum Konkurrieren um angeregte MediumsmolekĂŒle zwischen den verschiedenen Frequenzen (Mode Competition), andererseits können sich so stehende Wellen ausbilden, die Knotenlinien innerhalb des Laserprofils aufweisen. Ob und wie sie in einem Laserstrahl vorkommen, lĂ€sst sich durch optische Bauelemente wie Polarisationsfilter oder diffraktive optische Elemente bestimmen.
Die Art der transversalen Moden hÀngt von der Konstruktion des Laser ab:
(In Hohlleitern mit metallischer HĂŒlle beobachtet man auch reine TE- bzw. TM-Moden, weil in der HĂŒllflĂ€che elektrische Ströme flieĂen können).
Bei zylindrischem Querschnitt des Lasers hat die StrahlintensitĂ€t im Idealfall ein GauĂ-Profil; diese Mode wird als TEM00-Mode bezeichnet (siehe auch: Moden#Weitere akustische Schwingungsmoden). Es können aber auch andere Profile mit Winkel- und radialen AbhĂ€ngigkeiten auftreten, die sich durch Laguerre-Polynome berechnen lassen. Ist diese Zylindersymmetrie durch Polarisationsfilter oder Brewster-Fenster gestört, treten rechteckige Symmetrien auf, die durch Hermitesche Polynome berechnet werden. AbhĂ€ngig von der Anzahl ihrer Knotenlinien in horizontale und vertikale Richtung werden sie als TEMxy-Mode bezeichnet. FĂŒr diese Moden ist teilweise der Lichtweg durch den Resonator bis zum Ausgangspunkt anders, das heiĂt, die ResonatorlĂ€nge erscheint verĂ€ndert. Dieses kann zu einer VerfĂ€lschung der Longitudinalmodenspektren fĂŒhren, indem sich die Spektren verschiedener Transversalmoden ĂŒberlagern.
Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser-Resonators bestimmt, insbesondere spielen dabei die Geometrie des aktiven Mediums und die Spiegelanordnung eine wichtige Rolle. Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. zu manipulieren (Brillanz, IntensitĂ€t, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase, Zeit). Eine allgemeine Aussage ĂŒber die Strahleigenschaften ist daher nicht möglich. Es ist auch nicht richtig, dass ein Laserstrahl immer ein enggebĂŒndelter Strahl mit geringer Frequenzbreite sein muss, wofĂŒr er allerdings oft gehalten wird. Je nach Zielsetzung ist eine Erzeugung derartiger Strahlen aber durchaus möglich. Eine herausragende, allgemeine Eigenschaft stellt jedoch die Möglichkeit zur starken BĂŒndelung dar, mit der sehr hohe Leistungsdichten erzielt werden können. Die laterale Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlen ist bei guter StrahlqualitĂ€t ein GauĂprofil (GauĂ-Strahl).
Generell kann man zu den Strahleigenschaften sagen, dass Laserstrahlen sich gegenĂŒber gewöhnlichen Lichtquellen durch viele Unterschiede auszeichnen, die im Folgenden genannt werden.
Bei einer normalen GlĂŒhlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher WellenlĂ€nge ausgesendet, sondern auch in unbestimmter Phasenlage zueinander. Bei einem Laser dagegen sind die Wellen jeweils fast phasensynchron zueinander. Die Wellen sind ĂŒber mehr oder weniger lange Strecken (KohĂ€renzlĂ€nge) fast phasengleich, was man sich zum Beispiel in der Holografie zunutze macht.
Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (schrĂ€ge Umlenkspiegel und Brewster-Fenster, geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meistens linear. Oft ist das erwĂŒnscht, um polarisationsabhĂ€ngige Kopplung und Strahlteilung durchfĂŒhren zu können. Beim Schneiden von Metallen tritt jedoch insbesondere bei der linear polarisierten CO2-Laserstrahlung im Schnittspalt eine polarisationsabhĂ€ngige Absorption auf, was eine schlechte und richtungsabhĂ€ngige SchnittkantenqualitĂ€t zur Folge hat. Daher wird beim Metallschneiden mit zirkularer Polarisation gearbeitet, die durch phasendrehende Verzögerungsplatten im Strahlengang des Laserstrahles erzielt wird.
Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das aktive Medium und dessen zum Lasern geeignete EnergieĂŒbergĂ€nge bestimmt. Es gibt Stoffe, die auf vielen WellenlĂ€ngen zum Lasern angeregt werden können â jedoch meistens bei einer WellenlĂ€nge besonders gut. Laser können sehr schmalbandige Strahlquellen sein, die VerstĂ€rkungsbandbreite (beim Kohlenstoffdioxidlaser zum Beispiel 9 bis 11 ”m) ist jedoch meist höher als die Bandbreite der abgegebenen Strahlung â entweder schwingt der Laser von selbst im Maximum der VerstĂ€rkungsbandbreite (beim Kohlendioxidlaser zum Beispiel 10,6 ”m) an oder man sorgt durch frequenzbestimmende Elemente fĂŒr eine schmalbandige Emission auf einer einzigen Frequenz. Extreme Schmalbandigkeit ist z. B. bei der interferometrischen LĂ€ngenmessung mittels Lasern von Bedeutung. Bei extremer Breitbandigkeit spricht man von Superkontinuum-Lasern, welche z. B. in der optischen KohĂ€renztomographie und zur Erzeugung von FrequenzkĂ€mmen eingesetzt werden. Die minimal erreichbare Bandbreite wird durch das Schawlow-Townes-Limit beschrieben.
Ein Dauerstrichlaser (auch cw-Laser) ist ein Laser, der im Gegensatz zu Pulslasern eine kontinuierliche Lichtwelle abstrahlt. Laserstrahlung von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave laser, cw-laser) ist im Idealfall schmalbandig (monochrom, einfarbig), das heiĂt, sie besteht nur aus Strahlung einer WellenlĂ€nge. Insbesondere ist Dauerstrich-Laserstrahlung aus stabilen Laserresonatoren aufgrund des Vielfachumlaufes zeitlich beziehungsweise longitudinal (entlang seiner Ausbreitungsrichtung) kohĂ€rent, was bedeutet, dass die ausgesandten WellenzĂŒge nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch in der Phase ĂŒber eine lange Strecke (die KohĂ€renzlĂ€nge) konstant sind. Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgeprĂ€gte Interferenzerscheinungen. WĂ€hrend des Einschwingvorgangs des Dauerstrich-Lasers tritt zunĂ€chst oft Spiking, das heiĂt eine unregelmĂ€Ăige Abgabe von Laserpulsen, auf. Dieses Verhalten nutzt ein modengekoppelter Laser gezielt aus, indem er die Spikes z. B. triggert oder synchronisiert.
Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein gepulster Laser pulsierende Strahlung. Pulse können durch gepulste Anregung oder auch durch MaĂnahmen im Laser selbst (GĂŒteschaltung) erzeugt werden. Bei sehr kurzen Pulsen benötigt das aktive Medium prinzipiell eine gröĂere VerstĂ€rkungsbandbreite, innerhalb derer die beteiligten Frequenzen gekoppelt sind (Modenkopplung) und sich zu einem Impuls zusammensetzen. Je kĂŒrzer die Pulsdauer, desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fourier-Analyse das erzeugte Spektrum und umso breiter muss das Frequenzband sein, innerhalb dessen das aktive Medium verstĂ€rken kann. Die geringsten erzielbaren Pulsdauern liegen in der GröĂenordnung von Femto- und Attosekunden (â Femtosekundenlaser). Bei derart kurzen Pulsen (LĂ€nge des Strahlungspaketes < 30 ”m, also ein Bruchteil einer Haarbreite) muss das verstĂ€rkende (aktive) Lasermedium eine groĂe VerstĂ€rkungsbandbreite besitzen.
Laser können sich auch selbst zur Abgabe einer Pulsfolge synchronisieren, wenn im Resonator zum Beispiel ein nichtlinearer (sĂ€ttigbarer) Absorber vorhanden ist. Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse in einem solchen Laser erzeugt werden, hĂ€ngt u. a. bei der instantanen Kerr-Linsen-Modenkopplung (engl. Kerr lens mode locking, ein Verfahren zur Erzeugung einer stabilen Pulsfolge von Pulsen geringer Dauer) von der ResonatorlĂ€nge ab: Bei einem Resonator mit einer LĂ€nge von einem halben Meter betrĂ€gt diese etwa 300 MHz â die Periodendauer entspricht einem Hin- und Herlaufen (Umlauf) des Pulses im Resonator. Die Spitzenleistung wird bei jedem Umlauf gröĂer, die Pulsdauer bleibt von allein sehr gering. Aus solchen Pulslasern werden zum Beispiel einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstĂ€rkt. Mit weiteren MaĂnahmen gelingt es, Spitzenleistungen bis in den Petawatt-Bereich zu erzeugen, die nur im Vakuum ungestört ĂŒbertragen und fokussiert werden können. Luft wird von der hohen elektrischen FeldstĂ€rke des Lichts ionisiert.
Die GĂŒtemodulation (Q-switching) des Resonators mit akustooptischen GĂŒteschaltern oder Pockelszellen sind weitere Techniken zur Erzeugung energiereicher Laserpulse mit geringer Dauer: Dabei wird die stimulierte Emission zunĂ€chst unterbunden, um sie dann bei inzwischen durch das Pumpen gestiegener Besetzungsinversion (hohe, im aktiven Medium gespeicherte Energie) schlagartig zu ermöglichen.
Laser werden oftmals anhand der Eigenschaften des eingesetzten optischen Lasermediums kategorisiert und benannt. Die gröbste Einteilung erfolgt dabei anhand des Aggregatzustandes.
Wichtige Gaslaser sind beispielsweise der bei 632,8 nm emittierende Helium-Neon-Laser und der bei 10,6 ÎŒm emmitierende Kohlendioxidlaser. Spezielle Klassen der Gaslaser sind Excimerlaser, bei denen das Lasermedium ein Excimer-MolekĂŒl ist, und Metalldampflaser, bei denen das gasförmige Lasermedium zuerst durch Verdampfen von Metall gewonnen werden muss.
Laser mit flĂŒssigem Lasermedium werden als Farbstofflaser bezeichnet. Diese Laser kennzeichnen sich durch eine sehr groĂe, kontinuierliche und abstimmbare Bandbreite an WellenlĂ€ngen. Bei den eingesetzten Farbstoffen handelt es sich in vielen FĂ€llen um Stilbene, Cumarine und Rhodamine.
Die Gruppe der Festkörperlaser beinhaltet Laser, deren Lasermedium Kristalle sind. Dabei kann es sich unter Anderem um dotiertes Glas, Yttrium-Aluminium-Granat und andere Wirtskristalle oder Halbleiter handeln. Wichtige Beispiele sind der Nd:YAG-Laser, die Laserdiode und der Titan:Saphir-Laser. HĂ€ufig verwendete Dotanden sind Titan, Chrom und Neodym. FĂŒr die Form der Festkörper existieren viele Möglichkeiten, wie z. B. der Stablaser, Slablaser, Faserlaser und der Scheibenlaser. Eine besondere Form der Festkörperlaser sind die Farbzentrenlaser, die Ă€hnlich funktionieren, aber Farbzentren zur Erzeugung der LaserĂŒbergĂ€nge nutzen.
Eine besondere Form ist der Freie-Elektronen-Laser (FEL). Er ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die gerichtete Strahlung im Mikrowellenbereich bis in den Röntgenbereich emittiert. Ein FEL ist allerdings kein Laser im eigentlichen Sinne, da die Strahlung nicht durch stimulierte Emission in einem Lasermedium erzeugt wird.
Laser werden in sehr vielen Lebens- und Arbeitsbereichen, Forschungs- und Industriezweigen und medizinischen Aufgabenfeldern verwendet. Folgende Abschnitte geben einen groben Ăberblick ĂŒber die wichtigsten Einsatzgebiete der Lasertechnik.
Laser haben Einzug in vielen Bereichen des tĂ€glichen Lebens gefunden. In jedem Laserdrucker und allen optischen Laufwerk, wie beispielsweise CD-Spieler, DVD-Spieler und Blu-ray-Disc-Spieler befinden sich Laserdioden. Ebenso in Laserpointern, die als âoptischer Zeigestockâ eingesetzt werden. In Diskotheken und Lasershows werden Laser als Effektquelle eingesetzt. Eine besondere Form ist dabei die Laserharfe, bei der mehere Laserstrahlen zum Erzeugen von Musik benutzt werden. In Planetarien werden Laser als Projektoren eingesetzt. Eine Variante ist der âAll Dome Laser Image Projectorâ, wie er zum Beispiel im Planetarium Jena verwandt wird. In BarcodelesegerĂ€ten werden Laser zum Abtasten von Strichcodes verwendet.
Weitere wichtige Einsatzorte von Lasern sind die DatenĂŒbertragung mit Lichtwellenleitern und optischem Richtfunk, die Holografie und das Laserscanning.
In der Industrie und der Fertigungstechnik werden Laser fĂŒr verschiedene Fertigungsverfahren (DIN 8580) eingesetzt. Sie werden hierzu an einer Laserbearbeitungsmaschine oder einem Laserscanner betrieben. Laser eignen sich zum Umformen, Trennen, FĂŒgen, Beschichten und Stoffeigenschaften Ă€ndern verschiedenster Materialien, wie Holz, Kunststoff, Papier und Metalle.
Zu den wichtigstens Verfahren gehören das Lasersintern, die Stereolithografie, das Laserstrahlbiegen und laserunterstĂŒtztes Biegen, das Laserschneiden und -bohren, die Laserablation, das Lasertrimmen, LaserstrahlschweiĂen, -auftragschweiĂen und -löten, die Laserbeschriftung, das Laserspritzen und Laserstrahlverdampfen, das Laserpolieren.
Weiterhin können mit Lasern Strukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich auf fotosensitive Materialien geschrieben werden. Mittels mikrofotolithografischer Systeme werden im Direktschreibverfahren hochaufgelöste Vorlagen (Masken) fĂŒr verschiedene Anwendungen erzeugt, die z. B. mittels breitbandiger Hochleistungslaser in der Produktion auf die endgĂŒltigen Materialien umkopiert werden. Andere Anwendungen schlieĂen das Direktschreiben von Strukturen auf Silizium-Wafern in niedrigen StĂŒckzahlen oder das Schreiben von Strukturen auf fotoempfindlichen Filmen (z. B. Dehnungssensoren) ein. Auf diese Weise lassen sich Bildschirmmasken, Leiterplatten, integrierte Schaltkreise und Sensoren herstellen.
In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsÀchlich in der Diagnose eingesetzt, z. B. bei der Messung von Blutstrom (Flowmetrie) und -zirkulation. Es existieren auch Low-Level-LasertherapiegerÀte zur Wund- und Schmerzbehandlung.
In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose eingesetzt, z. B. in der optischen KohĂ€renztomografie (OCT). In der Therapie kann mit höherer Leistung eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund verschweiĂt werden. AuĂerdem kann Fehlsichtigkeit durch Abtragung von HornhautoberflĂ€che korrigiert werden (z. B. LASIK-Operation, Femto Lasik).
In der Chirurgie, GefĂ€Ăchirurgie und Phlebologie wird der Laser hauptsĂ€chlich im Bereich Endoskopie oder als Laserskalpell eingesetzt. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung von defekten Venen (Krampfadern). Hierbei kann der Laser endovenös (Laser-Lichtleiter wird in die Vene eingebracht) angewendet werden. Dieses Laser-Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch âStrippingâ. Die Laser-Behandlung ist in vielen FĂ€llen schonender und ambulant durchfĂŒhrbar.
In der Dermatologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchfĂŒhren. BlutgefĂ€Ăe können durch Laser bestimmter WellenlĂ€ngen koaguliert werden. Pigmentflecken können mit Hilfe ablatierender (= schĂ€lender) Laser abgetragen oder selektiv zerstört werden. Subkutanes (= unter der Haut gelegenes) Pigment kann mit Hilfe eines ultrakurz gepulsten Lasers zerstört und damit entfernt werden, ohne die HautoberflĂ€che zu verletzen. Durch Verwendung von langgepulsten Lasern können Haarwurzeln durch Epilation dauerhaft zerstört werden. Laser werden auch zur gezielten Behandlung entzĂŒndlicher Hauterkrankungen, vorrangig der Psoriasis (Schuppenflechte) eingesetzt. OberflĂ€chliche Unebenheiten der Haut (Knötchen, FĂ€ltchen) werden mit zur kosmetischen Verbesserung des Hautbildes geglĂ€ttet (Resurfacing). Durch Laserlicht können auch selektiv dermale Anteile erwĂ€rmt werden, was in erster Linie dem Kollagenaufbau zur Straffung der Haut dienen soll (âSubsurfacingâ).
In der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde werden Laser zur Abtragung von VerĂ€nderungen an den StimmbĂ€ndern bei der Mikrolaryngoskopie verwendet, auĂerdem zur Teilabtragung der Mandeln (Tonsillotomie) und von Tumoren in Mund und Rachen (z. B. beim Zungenkarzinom). Bei der Operation wegen Otosklerose werden Laser zur Perforation der SteigbĂŒgel-FuĂplatte verwendet.
In der Zahnmedizin können Laser fĂŒr den Abtrag von Zahnhartsubstanz (âBohren ohne Bohrerâ) oder in der Parodontologie (Keimreduktion und Konkremententfernung in entzĂŒndeten Zahnfleischtaschen) verwendet werden. Diodenlaser werden in der Zahnmedizin fĂŒr chirurgische Eingriffe, z. B. LippenbĂ€ndchenentfernung, fĂŒr die Keimreduktion in der Endodontie (Wurzelkanalbehandlung) oder fĂŒr die ZahnweiĂung (Bleaching) verwendet. Der Vorteil der Laserbehandlung gegenĂŒber der konventionellen Methode ist die, dass der Patient weniger Schmerzen hat, die Setzung von NĂ€hten teilweise ĂŒberflĂŒssig wird, es weniger blutet, da die Wunde verödet ist und die behandelte Stelle gleichzeitig dekontaminiert (keimfrei) wird.
In der Krebstherapie wird er fĂŒr die photodynamische Therapie eingesetzt, In der Urologie zur Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen und der Prostata. Die Lasermikrodissektion ist ein Verfahren zur Gewinnung von kleinsten Proben aus Gewebsschnitten oder Zellkulturen
Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen u. a. die Versuche, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen.
Die Sicherheitsbestimmungen fĂŒr medizinisch genutzte Laser werden in der EN 60601-2-22 behandelt.
Eine Reihe von MessgerÀten sind auf Laserbasis konstruiert wodurch PrÀzisionsmessungen möglich werden, die in vielen Situationen benötigt werden: Beim Tunnelbau, im Bauwesen.
Dazu zĂ€hlen das KohĂ€renzradar, optische Abstandsmessungen per Light detection and ranging (Lidar) und Laserpistolen, lasergestĂŒtzte Brandmelder, Formerfassung durch elektronische Specklemuster-Interferometrie (ESPI), Lasermikrofone, Laserextensometer, Laser-Doppler-Anemometrie und Particle Image Velocimetry zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder FlĂŒssigkeiten, Laser-Doppler-Vibrometer zur berĂŒhrungsfreien Schwingungsmessung, Laser surface velocimeter, Laser-Wolkenhöhenmesser in der Meteorologie, der Laserkreisel
Beim MilitĂ€r und in der RĂŒstungsindustrie werden Laser wie im Alltag zur Kommunikation und zu Messzwecken eingesetzt, aber zusĂ€tzlich auch als Waffen oder WaffenunterstĂŒtzende Technik verwendet. Dazu zĂ€hlen Zielhilfen fĂŒr prĂ€zisionsgelenkte Munition und lasergelenkte Bomben sowie zur Erzeugung von Zielmarkierung an Handfeuerwaffen (beispielsweise an der AM180), âLasergewehreâ zum vorĂŒbergehenden Blenden[5], Hochenergielaser zur Raketenabwehr (Laserkanonen).
In der modernen Forschung der Physik, Chemie und Biologie und ihrer jeweiligen Teilgebiete sind Laser eines der wichtigsten Hilfsmittel. In der Laserspektroskopie werden Laser zur LaserkĂŒhlung und Bestimmung von Energieniveaus in Atomen und MolekĂŒlen, zur Dichtemessung in Gasen und Plasmen oder zur Bestimmung von Materialeigenschaften eingesetzt. Spezielle laserspektroskopische Verfahren sind beispielsweise die Atomspektroskopie, die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy die Raman-Spektroskopie und die nichtlineare Raman-Spektroskopie. Effekte, wie sie die nichtlineare Optik vorhersagt, können nur mit Lasern erzielt werden. Isotopentrennungen, wie AVLIS und MLIS, sind ebenfalls nur mit Lasern möglich.
In der GeodÀsie dienen Laser zur Vermessung der Erde und der Plattentektonik, beispielsweise mittels Tachymeter, Lasertracker, Kanallaser, Satellite Laser Ranging und LaserDisto.
Die optische Pinzette und das Zwei-Photonen-Mikroskop sind Anwendungen der Zellforschung.
In der Astronomie werden Laser zur genauen Justierung optischer Bauteile und Instrumente sowie zur Beobachtung von Raumobjekten eingesetzt. Dazu zÀhlen Laserteleskope, Laser-Theodoliten und -Zielfernrohre sowie die Vermessung der Mondbewegung mittels Lunar Laser Ranging.
Laser können aufgrund der Eigenschaften ihrer Strahlung und aufgrund ihrer extrem konzentrierten elektromagnetischen Leistung biologische SchĂ€den verursachen. Daher sind Laser je nach Laser-Klasse mit genormten Warnhinweisen zu versehen. Dabei werden Bereiche der WellenlĂ€ngen und Einwirkzeiten unterschieden, die zu charakteristischen Verletzungen und Verletzungs-Schwellwerten der Leistungs- oder Energiedichte fĂŒhren.
Anwender und Anlagenbauer mĂŒssen direkte, indirekte (unbeabsichtigt gerichtet reflektierte) und Streustrahlung (unbeabsichtigt diffus reflektierte) hinsichtlich dieser Grenzwerte berĂŒcksichtigen.
Mögliche SchÀden:
Die GefÀhrdung durch Laserstrahlung an Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung wird oft nach der Maschinenrichtlinie beurteilt und ergibt auf dem Risikograph meistens die bisherige Kategorie 4 beziehungsweise die Sicherheitsanforderungsstufe 3 (auch Sicherheits-IntegritÀtslevel 3, kurz SIL-3).
Laserstrahlen können bei ausreichender Leistung oder Fokussierung BrĂ€nde und Explosionen auslösen. Hochbrillante Laser zur Materialbearbeitung können bei Versagen der Steuerung (zum Beispiel eines Roboters) auch an weit auĂerhalb ihrer Fokusebene liegenden Bauteilen oder Wandungen SchĂ€den verursachen.
Jede kommerzielle Einrichtung, die einen Laser ab der Klasse 3R benutzt, muss von einem Laserschutzbeauftragten auf Gefahren und richtige Verwendung des Lasers unterwiesen werden.
LasergerĂ€te werden entsprechend der schĂ€dlichen biologischen Wirkung von Laserstrahlung in Klassen eingeteilt. MaĂgeblich fĂŒr die nationalen und internationalen Laserklassen ist dabei die Definition von Grenzwerten, bei denen keine SchĂ€digung zu erwarten ist. Neben der amerikanischen ANSI-norm gibt die International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection Grenzwerte im Spektralbereich zwischen 400 und 1400 nm heraus.[6]
MaĂgeblich ist bei nichtionisierender Strahlung die thermische Leistung pro FlĂ€che sowie die spezifischen wellenlĂ€ngenabhĂ€ngigen Absorptionseigenschaften des Gewebes (Haut sowie Retina, Hornhaut, Glaskörper und Linse des Auges). Durch die Fokussierung der Augenlinse ist die GefĂ€hrlichkeit im sichtbaren und besonders im angrenzenden infraroten Bereich erhöht.
Oberhalb von 1,4 ”m WellenlĂ€nge wird die Strahlung groĂflĂ€chig in der Hornhaut absorbiert. Sie bietet einen Schutz fĂŒr die Retina des Auges. Jedoch reduziert sich die Absorptionstiefe auf weniger als 0,1 mm bei 3 ”m WellenlĂ€nge, weshalb es zu SchĂ€den in der Hornhaut kommen kann. Aus diesem Grund heiĂt der WellenlĂ€ngenbereich von 1,5 bis 2 ”m augensicher (engl. eye safe) .
Unterhalb 1,4 ”m sind Hornhaut, Haut und darunter liegendes Gewebe im Bereich 1200 nm (Nahinfrarot) bis rot (700 nm) teiltransparent, sodass hier tiefreichende SchĂ€digungen auftreten können, deren Entstehung aufgrund dort nicht vorhandenen WĂ€rmeempfindens oft nicht bemerkt werden. Auch NetzhautschĂ€den durch Laser-Strahlung im Nahinfrarot werden oft nicht bemerkt und erst durch fĂŒr entsprechende ArbeitsplĂ€tze vorgesehene Ă€rztliche Augenuntersuchungen entdeckt.
Bei WellenlĂ€ngen unterhalb von etwa 400 nm werden organische MolekĂŒlbindungen zerstört, die Absorptionstiefe in Gewebe verlagert sich mit kĂŒrzerer WellenlĂ€nge an die OberflĂ€che von Haut und Auge. Es treten auch bei geringen thermischen Leistungsdichten Linsen- und HornhauttrĂŒbungen sowie SchĂ€digungen der Haut vergleichbar einem Sonnenbrand auf. Dementsprechend sind die Grenzwerte der Leistungsdichte bei diesen kurzen WellenlĂ€ngen geringer als beispielsweise im mittleren Infrarot.
Die Klasseneinteilung von LasergerĂ€ten und -anlagen erfolgt anhand maximal auftretender Leistungs- bzw. Energiedichten, je nachdem, ob es sich um kontinuierliche oder Pulslaser handelt. Dabei ist auch die Expositionsdauer und die WellenlĂ€nge maĂgebend.
Entsprechend der GefĂ€hrlichkeit fĂŒr den Menschen sind die Laser in GerĂ€teklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDE 0837 (â unten) darf fĂŒr neue Laser nicht mehr verwendet werden)
| Klasse | Leistung | WellenlÀnge | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 1 | < 25 ”W | 400...700 nm | Die zugÀngliche Laserstrahlung ist ungefÀhrlich oder der Laser ist in einem geschlossenen GehÀuse |
| 1M | < 25 ”W | 302,5...4000 nm | Die zugÀngliche Laserstrahlung ist ungefÀhrlich, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder FernglÀser verwendet werden. |
| 2 | †1 mW | 400...700 nm | Die zugĂ€ngliche Laserstrahlung liegt nur im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s) auch fĂŒr das Auge ungefĂ€hrlich. |
| 2M | †1 mW | 400...700 nm | Wie Klasse 2, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder FernglÀser, verwendet werden. |
| 3R | 1 bis 5 mW | 302,5 nm...106 nm | Die zugĂ€ngliche Laserstrahlung ist gefĂ€hrlich fĂŒr das Auge. |
| 3B | 5 bis 500 mW | 302,5...106 nm | Die zugĂ€ngliche Laserstrahlung ist gefĂ€hrlich fĂŒr das Auge und in besonderen FĂ€llen auch fĂŒr die Haut. Diffuses Streulicht ist in der Regel ungefĂ€hrlich. (Laser von CD-/DVD-Brennern; Laserstrahlung allerdings nicht direkt zugĂ€nglich) |
| 4 | > 500mW | 302,5...106 nm | Die zugĂ€ngliche Laserstrahlung ist sehr gefĂ€hrlich fĂŒr das Auge und gefĂ€hrlich fĂŒr die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefĂ€hrlich sein. Beim Einsatz dieser Laserstrahlung besteht Brand- oder Explosionsgefahr. (Materialbearbeitung, Forschungslaser) |
Anmerkung zu Laserklasse 2 und 2M: Eine wissenschaftliche Untersuchung[7] ergab, dass der Lidschlussreflex (dieser tritt im Ăbrigen innerhalb 0,25 s auf; eine lĂ€ngere Bestrahlung schĂ€digt das Auge) nur bei < 20 % der Testpersonen gegeben war. Von dem Vorhandensein des Lidschlussreflexes zum Schutz der Augen kann der Studie zufolge nicht als Regelfall ausgegangen werden.
Anmerkung zur Leistung: Die angegebenen Leistungen gelten nur fĂŒr punktförmige Quellen und stark kollimierte Laserstrahlung. Bei ausgedehnten Quellen und divergenter Strahlung können weit höhere Leistungen auftreten. So wird in der EN 60825-1:2007 im Anhang B auf Seite 67 das Beispiel B.3.2 angegeben, bei dem eine 12-mW-Laserdiode (WellenlĂ€nge 900 nm) nach Klasse 1M klassifiziert wird.
Bis MÀrz 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDE 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebrÀuchlich.
| Klasse | Beschreibung |
|---|---|
| 1 | entspricht der Klasse 1 nach EN 60825-1 |
| 2 | entspricht der Klasse 2 nach EN 60825-1 Laser dieser Klasse werden unter UmstÀnden heute in 1M eingestuft. |
| 3a | Die zugĂ€ngliche Laserstrahlung wird fĂŒr das Auge gefĂ€hrlich, wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird. Ist dieses nicht der Fall, ist die ausgesandte Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm) bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s), in den anderen Spektralbereichen auch bei Langzeitbestrahlung, ungefĂ€hrlich. Je nach WellenlĂ€nge werden diese Laser heute meistens in Klasse 2M oder 3R eingestuft. |
| 3b | entspricht der Klasse 3B nach EN 60825-1 |
| 4 | entspricht der Klasse 4 nach EN 60825-1 |
Commons: Laser â Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Laser â BedeutungserklĂ€rungen, Wortherkunft, Synonyme, Ăbersetzungen
