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Ratgeber
Albert Einstein schaffte zu Beginn des 20. Jahrhunderts bereits die theoretische Grundlage durch die Entdeckung der Existenz der stimulierten Emission. Dieses Phänomen wurde Mitte des 20. Jahrhunderts erstmals experimentell nachgewiesen. Die weitere Entwicklung dieser Grundlagen diente im Jahr 1960 zur Erfindung des ersten Lasers. Das Wort Laser ist abgeleitet von „Light amplification by stimulated emission of radiation“. Das bedeutet Lichtverstärkung durch stimulierte Abgabe von Strahlung. Bereits vor dem ersten Laser entstand der Maser, welcher beispielsweise in der Mikrowelle zur Bestrahlung eingesetzt wird. Der Laser wurde ursprünglich als optischer Maser bezeichnet. Grundsätzlich unterscheiden sich die beiden Verfahren in der Art der Strahlung. Bei Licht besteht diese aus Längsstrahlen, bei der Mikrowelle aus Querstrahlen.
1. Medium / 2. Pumpe / 3. Resonator
Der Laser besteht aus einem laseraktiven Material und zwei Resonator-Spiegeln. Davon ist einer teildurchlässig, damit der Strahl an dieser Stelle austreten kann. Angeregt wird der Laser durch eine Energiezufuhr von außen durch das optische Pumpen. Dadurch werden die Atome des aktiven Mediums in einen angeregten Zustand versetzt. Als aktives Medium kann beispielsweise ein Gas, ein Festkörper oder eine Flüssigkeit verwendet werden. Die Energiezufuhr wird je nach Medium durch Gasentladungen, Blitzlampen, eine angelegte Spannung oder einen weiteren Laser erfolgen. Die von den angeregten Atomen abgegebenen Lichtteilchen, die Photonen, können spontan auf ein höheres Energieniveau emittieren. Der als stimulierte Emission bezeichnete Vorgang läuft in einem optischen Resonator ab. Die Strahlen werden zwischen den Spiegeln so lange reflektiert, bis die Anregungsbedingungen vorhanden sind, dass eine kollektive Ausstrahlung erfolgt.
Die Wellenlängen des optischen Lichts reichen vom ultravioletten Bereich mit 100 bis 400 Nanometer, über den optisch sichtbaren Bereich mit 400 bis 780 Nanometer bis in den Infraroten Bereich mit 780 bis 1.000.000 Nanometern.
Die Strahlenquelle kann in unterschiedlichen Arten betrieben werden. Neben dem Dauerbetrieb gibt es den Continuos Wave (CW) Betrieb. Der CW Betrieb zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einer Serie von gepulsten Wellen besteht. Diese werden dort eingesetzt, wo ein Material ohne große Hitzeentwicklung bearbeitet wird. Ein CW-Laser kann beispielsweise einen Streichholzkopf durchbohren, ohne diesen zu entzünden.
Der Festkörperlaser
Befindet sich das Lasermedium in einem festen Aggregatzustand, wird von einem Festkörperlaser gesprochen. Sie bestehen aus einem laseraktiven Kristall in Form eines Quaders, einer Scheibe oder einer Faser. Zum Pumpen der Atome in dem Kristall wird häufig ein Diodenlaser verwendet.
Der Nd:YAG-Laser ist der Festkörperlaser mit dem höchsten Wirkungsgrad von bis zu 50%. Seine Wellenlänge beträgt 1064 Nanometer und mit einer Leistung von bis zu 10 Kilowatt ist es ein häufig verwendetes System in Wissenschaft und Technik.
Der Rubinlaser ist der Prototyp aller Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 694 Nanometer. Die Leistung beträgt zwar bis zu 100 Kilowatt, jedoch ist er aufgrund seines Wirkungsgrades von 1 % ein rückläufiges Modell.
Titan Saphir-Laser sind als Femtosekunden-Laser in der Forschung und der Medizin verbreitet. Ihre Leistung ist über 100 Watt und abstimmbar mit der Wellenlänge zwischen 670 und 1.100 Nanometer.
Der Diodenlaser
Das Wirkprinzip eines Diodenlasers basiert auf dem einer Leuchtdiode mit dem Unterschied, dass zwischen den p- und n-dotierten Bereichen eine stimulierte Emission ausgelöst wird. Einzelne Dioden werden zu Blöcken zusammengesetzt, um damit andere Laser gezielt zu pumpen. Sie haben einen Wirkungsgrad von 30 bis 60 % bei einer Leistung von bis zu 100 Milliwatt.
Aluminium-Gallium-Arsenid-Laser strahlen mit einer Wellenlänge von 650 bis 880 Nanometer und werden in der Nachrichtentechnik und in CD-Laufwerken eingesetzt.
Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid-Laser strahlen mit einer Wellenlänge von 1150 bis 1650 Nanometern und werden zur Nachrichtenübertragung in Lichtwellenleitern und für das Pumpen weiterer Laser verwendet.
Der Gaslaser
Gase, deren Atome angeregt werden können, lassen sich im Resonator als laseraktives Material verwenden.
Kohlenstoff Dioxid Laser sind in der Industrie und der Medizin weit verbreitet. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 15 und 20 % bei einer Leistung von bis zu 80 Megawatt.
Mit einer Wellenlänge von 10.600 Nanometern kommen CO2 Laser dort zum Einsatz, wo beim Schneiden von harten Materialien hochpräzise Schnittkanten erforderlich sind.
Der Helium Neon Laser hat zwar einen sehr geringen Wirkungsgrad, wird jedoch durch seine hohe Kohärenz in der Forschung und der Messtechnik oft eingesetzt. Je nach Mischung des Gases verfügt er über eine Wellenlänge von 633 bis 1150 Nanometer mit einer Leistung von 10 bis 100 Milliwatt.
Anwendung von Laser-Technik
Die Anwendungsbereiche der Lasertechnik sind sehr vielseitig. Datenübertragung in Lichtgeschwindigkeit über optische Lichtwellenleiter sind ebenso etabliert wie das Schreiben von Daten auf eine DVD. In der Mess- und Prüftechnik werden hochpräzise berührungslose Messverfahren eingesetzt um Entfernungen, Geschwindigkeiten, Materialdicken oder Oberflächenprofile zu ermitteln. Laser ermöglichen die Vermessung unseres Sonnensystems, ein Hologramm auf einem Ausweis abzubilden oder das Lesen der Warencodes an der Supermarktkasse.
Industrie 4.0
Die Lasertechnik kommt in modernen Industrie 4.0 Anlagen zunehmend häufiger zur Anwendung. Der Einsatz von Robotik ermöglicht zudem eine hochpräzise und flexible Werkstückbearbeitung innerhalb der Produktionskette. Wo früher eine wuchtige Stanzmaschine stand, die bei jedem Produktwechsel umgerüstet wurde, steht heute eine Zelle zur Lasermaterialbearbeitung. Die Maschine erkennt automatisch das eingelegte Bauteil und wählt das individuelle Programm zur Bearbeitung. Laserschneiden, Laserschweißen oder thermisches Verformen von Metallen ist so technisch mit einer Maschine möglich.
LiDAR-Sensoren im privaten Umfeld
Auch im privaten Bereich hält die Lasertechnik immer mehr Einzug. Moderne Saug-, Mähroboter oder auch Kraftfahrzeuge sind mit einem LiDAR-Sensor ausgestattet. "Light detection and ranging" liefert einen 360° Rundumblick und ermöglicht es einer Maschine autonom und sicher durch den Raum zu navigieren. Auch ein modernes Smartphone verfügt über diese Technologie und ermöglicht eine 3D Abbildung des Raumes.
Laserklassen
Für die Lasertechnik besteht nach der Norm DIN EN 60825-1 die Pflicht zur Klassifizierung. Darin ist eingeteilt, welche Gefährdung durch die Laserstrahlung für den Menschen besteht. Das Potential der Gefährdung durch austretende Strahlung und die dadurch erforderlichen Schutzmaßnahmen steigen mit höherer Klasse. Der GZS Wert steht für die gesamte zugängliche Strahlung.