Laser

Erzeugung von Laserlicht

Die Quelle für Laserlicht oder Laserstrahlung ist eine Anordnung, die als Laser bezeichnet wird. Abgeleitet ist diese Bezeichnung vom englischen light amplification by stimulated emission of radiation (Lichtaussendung durch induzierte Emission von Strahlung). Die ersten Laser wurden 1958 gebaut. Die physikalischen Grundlagen dafür schufen der Amerikaner CHARLES T. TOWNES (*1915) sowie die Russen NIKOLAI G. BASOW (1922-2001) und ALEXANDER M. PROCHOROW (*1916-2002) in den fünfziger Jahren. Sie erhielten dafür 1964 den Nobelpreis für Physik.

Die Spezifik der Laserstrahlung ergibt sich aus Vorgängen in der Atomhülle: Werden Atome eines Stoffes durch Energiezufuhr angeregt, so erreichen die Außenelektronen ein höheres Energieniveau. Dort verbleiben sie aber nicht, sondern kehren unter Energieabgabe nach einer sehr kurzen Zeit (nach ca. zehn Milliardstel Sekunden) von allein wieder in den Grundzustand zurück (Bild 2a). Die Energie wird in Form von Licht abgegeben. Dieser Vorgang geht z.B. in den Atomen des Glühfadens einer Glühlampe ständig vor sich. Er wird als spontane Emission bezeichnet.

Bei Atomen mit mehreren Elektronen gibt es aber auch angeregte Zustände, die über längere Zeit bestehen können. Nach der Anregung auf ein Niveau ${\text{E}}_2$ fallen die Elektronen ohne Abgabe von Strahlung auf ein Energieniveau ${\text{E}}_{\text{1}}$, auf dem sie zunächst verbleiben (Bild 2b). Trifft auf ein solches angeregtes Atom Licht, das von einem gleichartig angeregten Atom stammt, so geht auch dieses angeregte Atom wieder in den Grundzustand über. Da diese Emission durch Anregung von außen erfolgt, wird sie als induzierte Emission bezeichnet.

Den prinzipiellen Aufbau eines Lasers zeigt Bild 3. Durch eine Energiequelle werden die Atome des Energiespeichers in einen angeregten Zustand versetzt. Geeignetes Licht ruft die induzierte Emission hervor. Durch die Spiegel läuft das Licht hin und her und verstärkt die induzierte Emission. Durch den halbdurchlässigen Spiegel verlässt ständig ein Teil des Lichtes den Laser als Laserstrahlung.
Heute gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Laser, z.B. Festkörper-Laser, Gas-Laser, Halbleiter-Laser, Farbstoff-Laser, Röntgen-Laser, Flüssigkeits-Laser).

Eigenschaften von Laserlicht

Laserlicht ist ebenso wie das übrige Licht von seinem physikalischen Charakter her eine elektromagnetische Welle. Es kann im sichtbaren Bereich, aber auch im Bereich infraroter, ultravioletter oder anderer Strahlung liegen. Wie anderes Licht breitet es sich in einem Stoff geradlinig und mit Lichtgeschwindigkeit aus. Es kann reflektiert und gebrochen werden. An schmalen Hindernissen (Spalte, Gitter) tritt Beugung und Interferenz auf. Laserlicht unterscheidet sich aber in einigen Eigenschaften vom natürlichen Licht, wie es z.B. von der Sonne ausgeht:

• Laserlicht ist nahezu paralleles Licht und kann gut gebündelt werden.
• Laserlicht hat eine hohe Energiedichte.
• Laserlicht ist monochromatisch, hat also eine ganz bestimmte Frequenz und damit eine ganz bestimmte Farbe, die von der chemischen Zusammensetzung des Energiespeichers abhängig ist.

Aus diesen speziellen Eigenschaften ergeben sich die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten für Laserlicht.

Anwendungen von Laserlicht

Nachfolgend werden einige typische Anwendungen von Laserlicht dargestellt.
Ein Bereich der Anwendung von Lasern ist die Materialbearbeitung. Durch die hohe Energiedichte in einem dünnen oder einem fokussierten Laserstrahl kann er zum Schweißen, Schneiden oder Bohren auch von solchen Materialien genutzt werden, die einen sehr hohen Schmelzpunkt haben. Da sich Laserlicht sehr gut bündeln lässt, ist es auch möglich, mit seiner Hilfe sehr feine Strukturen zu erzeugen.

In der Technik wird diese Möglichkeit der Erzeugung feinster Strukturen z.B. genutzt, um sehr feine Düsen für die Produktion von Textilfasern herzustellen. Auch Oberflächen können außerordentlich exakt bearbeitet werden. Das wird beispielsweise bei der Herstellung von Hülsen zur Prägung von Kunstleder genutzt. Die Oberfläche einer solche Hülse erhält mithilfe eines Lasers eine bestimmte Strukturierung. Diese wird dann auf das Kunstleder geprägt.

In der Medizin werden Laserstrahlen vor allem in der Augenheilkunde und in der Chirurgie genutzt. So wird beispielsweise Laserstrahlung in der Augenheilkunde dazu verwendet, eine beginnende Netzhautablösung zu behandeln. Dazu werden kleinste Bereiche der Netzhaut mit gebündeltem Laserlicht bestrahlt und die Gewebeschichten dadurch regelrecht „verschweißt“.
In der Chirurgie kann zum Durchtrennen von Gewebe statt eines Skalpells ein Laser-Skalpell genutzt werden. Der Vorteil besteht vor allem darin, dass aufgrund der hohen Temperaturen im Bereich des Laserstrahls kleine Blutgefäße, die man durchtrennt, sofort „verschweißt“ werden, die Blutungen also geringer sind als bei Verwendung eines herkömmlichen Skalpells.

Da Laserlicht nahezu paralleles Licht ist, eignet es sich gut für Vermessungsaufgaben, insbesondere für Längenmessungen und für Entfernungsmessungen. So wurden z.B. im Rahmen des US-amerikanischen Apollo-Projektes auf dem Mond Spiegel installiert. Von der Erdoberfläche aus wurden dann in Richtung Mond Laserimpulse geschickt und die Laufzeit dieser Laserimpulse gemessen. Aus der Laufzeit konnte sehr genau die Entfernung Erde-Mond berechnet werden.
Laserlicht spielt auch bei Computern und CD-Playern eine wichtige Rolle: Die berührungslose Abtastung von CDs oder DVDs erfolgt mithilfe von fein gebündeltem Laserlicht. Auch zum Brennen von CDs wird Laserlicht genutzt.