Laser

Laserlicht; Laserstrahl; köhärentes Licht

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La|ser 〈[ lɛızə(r)] od. [le:zə(r)] m. 3; Phys.〉 eine von außen angeregte, gleichzeitige Strahlungsemission vieler Atome, wobei die höchsten bekannten Energiedichten je Flächeneinheit erreicht werden ● Feststoff\Laser Laser mit Kristallen, z. B. Rubinen; Gas\Laser Laser z. B. mit Helium od. Kohlendioxid; Flüssigkeits\Laser Laser mit organischen Verbindungen; →a. Maser² [Kurzwort <engl. light amplification by stimulated emission of radiation „Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Strahlung“]

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La|ser ['leɪzə; Abk. für engl. light amplification by stimulated emission of radiation = Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission], der; -s, -: eine Lichtquelle zur Erzeugung kontinuierlich oder gepulst emittierter kohärenter elektromagnetischer Strahlung im IR- bis VUV-Bereich. Laser bestehen aus einer Anregungslichtquelle (sog. Pumpquelle), einem Spiegel- oder Resonatorsystem u. dem eigtl. Lasermedium, z. B. aus YAG- oder Rubinkrist., Gläsern, Halbleitern oder aus Lsg. von Cyanin-, Cumarin-, Rhodaminfarbstoffen bzw. Szintillatoren oder aus Gasen (CO₂, CO, HF, F₂, Ar, Edelgashalogenide).

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La|ser ['leɪzɐ , auch: 'le:… , 'la:… ], der; -s, - [engl. laser, geb. nach: maser (↑ ²Maser), Kurzwort aus: light amplification by stimulated emission of radiation] (Technik):

Gerät zur Erzeugung u. Verstärkung von kohärentem Licht:

die Anwendung von -n in der Medizin.

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I

Laser

 

[Kurzbez. für engl. Light Amplification by stimulated Emission of Radiation, »Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission«], ein Gerät zur Erzeugung von scharf gebündelter, kohärenter elektromagnetischer Strahlung, meist im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Kohärenz - die wesentliche Eigenschaft von Laserlicht - bedeutet, dass die einzelnen Wellenzüge eines Lichtstrahls auch nach mehreren Kilometern Ausbreitung immer noch die gleiche Lage zueinander haben wie am Anfang. Man spricht auch von einer festen, zeitlich unveränderten Phasenbeziehung.

 

Die Funktionsweise eines Lasers beruht auf der Wechselwirkung zwischen angeregten Atomen oder Molekülen mit elektromagnetischer Strahlung, deren Energie der Energiedifferenz zwischen dem angeregten und einem energetisch niedriger liegenden Zustand entspricht. Angeregt ist ein Atom oder Molekül immer dann, wenn eines oder mehrere seiner Elektronen in einen energetisch höheren Zustand »angehoben« wurden. Um eine Verstärkung der Strahlung zu erzielen, muss durch gezielte Zufuhr von Energie (Pumpenergie) zunächst eine so genannte Besetzungsinversion erzielt werden, das heißt, dass mehr Atome im angeregten Zustand vorliegen als im energetisch niedrigeren Zustand. Eine nun einfallende elektromagnetische Strahlung ruft eine »induzierte« oder »stimulierte« Emission hervor: Viele Elektronen fallen gemeinsam, also gleichzeitig, in den niedrigeren Energiezustand und die frei werdende Energie wird in Form von Strahlung abgegeben, die zu den eingestrahlten Wellen kohärent ist.

 

Entsprechend funktionieren Halbleiterlaser, bei denen durch einen Übergang vom unteren Rand des sog. Leitungsbandes zum oberen Rand des sog. Valenzbandes die Strahlung abgegeben wird. Grundbestandteil eines solchen Lasers ist eine Halbleiterdiode (Diode), die typischerweise aus Galliumarsenid (GaAs) besteht. Ein GaAs-Laser ist im Prinzip aus zwei Schichten dieses Materials aufgebaut, die unterschiedlich dotiert (Dotierung) wurden, sodass die eine Schicht n-leitend, die andere p-leitend ist. Bei Anlegen einer Spannung werden die Elektronen und Löcher im p-n-Übergang getrennt. Licht entsteht, wenn die Elektronen im Leitungsband der n-Schicht und die Löcher im Valenzband der p-Schicht direkt rekombinieren und die dabei frei werdende Energie in Form von Photonen abgeben. Das Licht wird durch Verspiegelung der Endflächen wieder in die p-n-Schicht eingespeist und führt zur Entstehung weiterer Elektron-Loch-Paare. Wegen des kleinen Volumens der aktiven Laserschicht (ca. 0,5 × 0,2 × 0,1 mm³) ist die erzielbare Leistung nur gering (einige Milliwatt), aber für Anwendungen im Computerbereich ausreichend.

 

In der Computertechnologie werden Laser eingesetzt, um Daten über Glasfaserkabel zu übertragen, Daten auf CD-ROM zu schreiben und zu lesen, sowie in Laserdruckern. Ein ganz neuer, noch in den Kinderschuhen steckender Anwendungsbereich ist die optische Datenverarbeitung.

II

Laser

 

['leɪzə, englisch], Segeln: olympische Einhandjolle (seit1996); Länge 4,23 m, Breite 1,37 m, Tiefgang 0,80 m (mit Schwert), Segelfläche 7,06 m²; Segelzeichen: Sonne mit Laserstrahl.

III

Laser

 

['leɪzə, Kurzbezeichnung für englisch light amplification by stimulated emission of radiation, »Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission«] der, -s/-, Generator und Verstärker für kohärente elektromagnetische Wellen im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich, aber auch darüber hinaus (Maser, Röntgenlaser, Freie-Elektronen-Laser). - Die Hauptbestandteile eines Lasers sind ein Lasermedium zur optischen Verstärkung, eine Pumpquelle zur Anregung des Lasermediums und ein Resonator zur Rückkopplung der Strahlung in das Lasermedium.

 

Prinzip und Wirkungsweise:

 

Von grundlegender Bedeutung für die Funktion des Lasers ist der Prozess der induzierten (stimulierten) Emission: Wechselwirkt ein angeregtes Atom oder Molekül mit elektromagnetischer Strahlung, deren Frequenz ν der Energiedifferenz E₂ — E₁ zwischen dem angeregten und einem energetisch niedriger liegenden Zustand in dem System entspricht, so erfolgt ein Übergang in den niedrigeren Zustand, wobei die Anregungsenergie als Photon der Energie hν = E₂ — E₁ (h plancksches Wirkungsquantum) emittiert und das Strahlungsfeld dadurch kohärent verstärkt wird. Voraussetzung für eine Verstärkung ist, dass das höhere Energieniveau stärker besetzt ist als das tiefer liegende, da sonst die Schwächung der Strahlung durch Absorption (Übergang vom niederen zum höheren Zustand) die Verstärkung durch stimulierte Emission übertreffen würde. Weil eine derartige Besetzungsinversion in der Natur im thermischen Gleichgewicht nicht vorkommt, muss dem Lasermedium von außen Energie (Pumpenergie) zur Umkehr der natürlichen Besetzung zugeführt werden.

 

Wird ein invertiertes Medium in einen optischen Resonator (meist zwei einander gegenüberstehende ebene oder auch sphärische Spiegel) eingebracht, der eine Rückkopplung (eines Teils) der Laserstrahlung ermöglicht, so erhält man einen Oszillator (Generator) für elektromagnetische Schwingungen. Übertrifft die Lichtverstärkung im aktiven Medium die Verluste der zwischen den Spiegeln hin- und herreflektierten Welle, so fängt der Laser an, auf einer für das Lasermaterial charakteristischen Wellenlänge zu schwingen, wobei sich zwischen den Spiegeln ein stehendes Wellenfeld aufbaut. Zur Auskopplung der Laserstrahlung aus dem Resonator ist einer der Spiegel schwach durchlässig. Ein kohärentes Wellenfeld und damit Laseremission bildet sich erst aus, wenn die Pumpleistung die Laserschwelle übersteigt. Deren Größe wird von den Verlusten im Lasermaterial (spontane Emission, Absorption, Streuung, strahlungslose Übergänge) und im Resonator (Beugung sowie die erwünschte Auskopplung am teildurchlässigen Spiegel) bestimmt. Bei genügend großer Lichtverstärkung genügt bereits der einmalige Durchgang durch das aktive Medium zur Ausbildung einer kohärenten Welle, dieser Vorgang wird ASE (englisch für amplified spontaneous emission) genannt; die entsprechenden Laser werden auch als Superstrahler bezeichnet.

 

Lasertypen:

 

Laser unterscheiden sich hinsichtlich der benutzten Lasermaterialien, der Erzeugung der Besetzungsinversion, der Art des Resonators sowie der Wellenlänge, der Intensität und der Dauer der Strahlungsemission.

 

Als Lasermaterialien kommen außer Metallen alle Stoffarten infrage: Festkörper, wie dotierte Kristalle und Gläser (Festkörperlaser) sowie Halbleiter (Halbleiterlaser), Polymere, Flüssigkeiten (insbesondere Lösungen organischer Farbstoffmoleküle, Farbstofflaser) und Gase (Gaslaser) beziehungsweise angeregte Edelgase und mit diesen gebildete Moleküle als Lasermedium der Excimerlaser. Insgesamt ist seit Entwicklung des ersten Lasers (1960) Laseremission aus Tausenden verschiedenen Substanzen erzielt worden, wobei der gesamte Spektralbereich vom fernen Infrarot bis zu den weichen Röntgenstrahlen (Wellenlängen von circa 3 mm bis herab zu etwa 10 nm) praktisch lückenlos überdeckt wird. Viele Lasermaterialien verstärken eine Reihe verschiedener Frequenzen (Gase), andere schmale (z. B. Halbleiter) oder breite Frequenzbänder (z. B. Farbstoffe).

 

Die Erzeugung der Besetzungsinversion erfolgt bei optisch gepumpten Lasern durch intensive Strahlung von Blitzlampen, stationären Gasentladungen oder Pumplasern, bei entladungsgepumpten Gaslasern durch Elektronenstöße in einer Gasentladung und bei Laserdioden durch Injektion von Ladungsträgern in einen p-n-Übergang in einem direkten Halbleitermaterial. Chemische Laser (u. a. die Excimerlaser) nutzen die bei chemischen Reaktionen freigesetzte Energie (das Entstehen von Molekülen im angeregten Zustand) zur Besetzungsinversion.

 

Nach der Dauer der Strahlungsemission werden kontinuierliche Laser (Dauerstrich- oder cw-Laser; cw Abkürzung für englisch continuous wave) beziehungsweise diskontinuierliche Laser (Impuls-, Puls- oder Hochenergielaser) unterschieden. Die Dauer der Laseremission hängt davon ab, wie lange die Nichtgleichgewichtsverteilung zwischen dem oberen und unteren Laserniveau durch die Pumpquelle aufrechterhalten werden kann. Bei genügender Größe der natürlichen Lebensdauer im oberen Laserniveau gelingt dies auch während der Laseremission. So können Neodym-Festkörperlaser, die als aktives Material mit Neodymionen dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Kristalle oder -Gläser verwenden (Neodym-YAG-Laser), die meisten Gaslaser, Farbstofflaser und Halbleiterlaser sowohl kontinuierlich als auch im Impulsbetrieb arbeiten, während Rubinlaser und Excimerlaser wegen der geringen natürlichen Lebensdauer des angeregten Zustandes auch bei kontinuierlichen Pumpen kurze intensive Impulse abgeben.

 

Laserresonatoren bestehen im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln, zwischen denen die Lichtwellen reflektiert werden. Da ihre Abmessungen groß gegenüber der Wellenlänge des Lichtes sind, werden im Allgemeinen viele verschiedene Resonatoreigenschwingungen (Moden) angeregt. Um in Monomodelasern monochromatische Emission einer einzigen Wellenlänge zu erhalten, werden schmalbandige Filter (Interferenzfilter, Fabry-Perot-Interferometer), Gitter oder Prismen in den Resonator eingesetzt, sodass alle anderen Moden außer der gewünschten Resonanzmode unterdrückt werden. Abstimmbare Laser erhält man durch kontinuierliche Variation der Resonanzmode, z. B. durch Drehung eines Gitters oder Prismas im Resonator. Der Wellenlängenbereich, in dem Laseremission auftritt, wird durch das aktive Medium bestimmt; breite Abstimmbereiche haben Farbstofflaser und Farbzentrenlaser. Monomodelaser haben nur geringe Lichtleistung, höhere Leistungen erzielt man im Multimodebetrieb. Für kommerzielle Anwendungen sind Dauerleistungen bis in den Kilowattbereich üblich, für militärische bis in den Megawattbereich. Erheblich größere Leistungen sind mit Impulslasern möglich; je kürzer die Impulsdauer, umso größer ist die erreichbare Spitzenleistung.

 

Einzelimpulse kann man erzeugen, indem man den Strahlengang im Resonator während des Pumpvorgangs mithilfe eines Güteschalters sperrt und dadurch eine entsprechend höhere Besetzung des oberen Laserniveaus aufbaut. Wird der Strahlengang dann plötzlich freigegeben, kann bei genügend großem Verstärkungsfaktor die hohe Besetzung sehr schnell abgebaut und die gespeicherte Energie in einem Lichtimpuls hoher Intensität mit einer typischen Dauer von einigen Nanosekunden (10^-9 s) entladen werden. Als Güteschalter werden v. a. elektrooptische Elemente wie Pockels-Zellen und Kerr-Zellen, akustooptische Modulatoren oder gewisse organische Farbstoffe verwendet, deren Absorptionsvermögen stark von der Lichtintensität abhängt.

 

Periodische Folgen wesentlich kürzerer Impulse können durch Phasenkopplung der Lasermoden (Modensynchronisation, englisch Modelocking) erzeugt werden. Hierzu werden die Resonatorverluste durch einen akustooptischen oder elektrooptischen Modulator oder auch durch eine ausbleichbare Farbstofflösung (passives Modelocking) mit einer Frequenz moduliert, die genau der Umlaufzeit der Strahlung zwischen den Resonatorspiegeln entspricht. Durch wiederholtes Passieren des optischen Schalters werden die Phasen der verschiedenen oszillierenden Moden, die normalerweise statistisch verteilt sind und durch unkontrollierte Phasensprünge ihre relative Lage zueinander laufend ändern, starr aneinander gekoppelt. Wegen der phasenrichtigen Überlagerung der Intensitäten der Einzelmoden emittiert der Laser periodisch kurze intensive Lichtimpulse, deren Abstand der Laufzeit des Lichts durch den Resonator entspricht. Mit Neodym-YAG-Lasern können so Pikosekundenimpulse mit Pulsspitzenleistungen von mehr als 10 TW erzeugt werden. Die Impulsdauer ist umgekehrt proportional zur Zahl der gekoppelten Moden, d. h., sie kann umso kürzer werden, je größer die Verstärkungsbandbreite des Lasermediums ist. Modenkopplung kann auch durch synchrones Pumpen (Pumpen eines Lasers mit einem modensynchronisierten Pumplaser gleicher Resonatorlänge) erreicht werden, wodurch eine weitere Pulsverkürzung möglich ist. Mit Farbstofflasern werden so Impulsdauern von 3 × 10^-14 s erreicht. Durch Pulskompression können derartige Impulse weiter bis auf circa 5 × 10^-15 s verkürzt werden, sie bestehen dann nur noch aus wenigen Wellenlängen und haben dementsprechend geringe Kohärenzlängen von wenigen Mikrometern beziehungsweise Kohärenzzeiten von wenigen Femtosekunden. Der Titan-Saphir-Laser, ein Festkörperlaser, ermöglicht auch ohne Pulskompression die stabile Erzeugung von Femtosekundenpulsen, die nur noch aus wenigen Wellenlängen bestehen. Selbst Impulsdauern im Subfemtosekundenbereich wurden erzielt.

 

In Mikrolasern mit Resonatorabmessungen in der Größenordnung der Lichtwellenlänge existieren nur eine oder wenige Moden, die mit dem aktiven Medium in Wechselwirkung stehen. Am weitesten entwickelt davon sind die Vertikallaserdioden, die eine sehr niedrige Laserschwelle haben und im Hinblick auf parallele optische Informationsübertragung über parallele Lichtbündel entwickelt werden. Beim Ein-Atom-Mikrolaser besteht das aktive Medium aus einem einzigen in einer Teilchenfalle gespeicherten lasergepumpten Atom. In diesen Lasern werden Elementarprozesse der Elektron-Photon-Wechselwirkung untersucht.

 

Eigenschaften der Laserstrahlung:

 

Von der Strahlung gewöhnlicher (d. h. thermischer) Lichtquellen (Gasentladungslampen, Glühlampen) unterscheidet sich Laserlicht durch folgende Eigenschaften:

 

1) Die Strahlung ist räumlich kohärent, d. h., die von verschiedenen Orten im aktiven Material emittierten Wellenzüge haben eine feste Phasenbeziehung (Kohärenz). Die Strahlung wird nicht in alle Raumrichtungen abgegeben, sondern scharf gebündelt, sodass eine exakte Fokussierung mit extrem hohen Leistungsdichten (bis zu 10¹⁸ W/m²) möglich ist. (Im Vergleich: Die Leistungsdichte der Solarstrahlung beträgt am Erdboden maximal rd. 10³ W/m²).

 

2) Ein Laser emittiert lange fortlaufende Wellenzüge mit nur geringen Phasenschwankungen oder -sprüngen, d. h., der Laserstrahl ist zeitlich kohärent. Verbunden damit ist die hohe Frequenzreinheit (Monochromasie) der Strahlung. Die Schwingungsfrequenz sichtbaren Lichts liegt in der Größenordnung von 10¹⁵ Hz, die typische Frequenzbreite des Lasers bei 10⁸-10⁹ Hz. Durch Stabilisierungsmaßnahmen lässt sich die Größe der Frequenzschwankungen um mehrere Größenordnungen bis auf Werte unter 1 Hz reduzieren.

 

3) Die abgegebene Strahlungsleistung kann bei Pulslasern Werte bis 10¹⁵ W (Petawattbereich) erreichen. Die elektrische Feldstärke in einem derartigen Laserstrahl erreicht bei optimaler Fokussierung in einen Raumbereich vom Durchmesser der Lichtwellenlänge Werte bis über 100 GV/m, weit höher als die inneratomaren Feldstärkewerte in schweren Atomen, und hat zur Entdeckung völlig neuartiger physikalischer Effekte bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie geführt (nichtlineare Optik).

 

4) Mit Lasern können ultrakurze intensive Lichtpulse mit Pulsdauern von wenigen Femtosekunden (10^-15 s) erzeugt werden.

 

5) Laserstrahlung unterscheidet sich durch ihre Photonenstatistik grundsätzlich vom Licht anderer Strahlungsquellen: Die Zahl der Photonen in einer Lasermode schwankt entsprechend der Poisson-Statistik viel geringer als die von thermischem Licht.

 

Anwendungen:

 

Laser finden heute in nahezu allen Gebieten der Naturwissenschaften, Technik, Medizin und Kommunikation, aber auch in Kunst und Unterhaltung Anwendung. Die mannigfache technische Nutzung der Laserstrahlung beruht insbesondere auf ihrer hohen Bündel- und Fokussierbarkeit, der Monochromasie, der Verfügbarkeit in weiten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums sowie ihrer Puls- und Modulierbarkeit.

 

Laser sind bei der optischen Informationsübertragung und -verarbeitung von herausragender Bedeutung (Bildplatte, CD, DVD, Drucker, Scanner). Den größten Marktanteil haben in der Informations- und Kommunikationstechnologie zurzeit Laserdioden.

 

In der Material- und Werkstoffbearbeitung werden z. B. Neodym-Festkörperlaser oder Kohlendioxidlaser zum Schweißen von Kunststoffen und Metallen, zum Schneiden und Bohren von fast allen bekannten Materialien, zur Härtung von Metalloberflächen durch Erhitzen, zum Materialabtragen beziehungsweise zur Schichtherstellung (Laserablation) oder zum tiegelfreien Zonenschmelzen bei der Kristallzüchtung eingesetzt. Da die Energie exakt dosiert werden kann und bei Fokussierung des Strahls sehr genau lokalisierbar ist, können auch Bauteile sehr kleiner Abmessungen mit hoher Präzision bearbeitet werden. Die Energieübertragung erfolgt berührungslos, und der Bearbeitungsvorgang erfordert weder Vakuum noch Schutzgasatmosphäre.

 

Wegen der großen Kohärenzlänge ihrer Strahlung sind Laser hervorragende Strahlungsquellen für holographische und interferometrische Untersuchungen. Laserinterferometer werden in der Messtechnik u. a. für Fluchtungsaufgaben, zur Längen- und Entfernungsmessung verwendet und dienen zur Darstellung der Einheit »Meter« als Frequenz- und Längennormale. Sie sind z. B. Standard in der Flugnavigation (Lasergyroskop). Die gute Fokussierbarkeit der Laserstrahlung ist die Voraussetzung für Anwendungen in Mikroskopie und Photolithographie, die hohe Monochromasie ermöglicht die hochauflösende Laserspektroskopie.

 

Durch Laserkühlung wurde die Erzeugung ultratiefer Temperaturen bis in den Mikro- und Nanokelvinbereich möglich. Derart tiefe Temperaturen sind u. a. eine Voraussetzung für höchstauflösende Laserspektroskopie an (fast) ruhenden Einzelatomen in Teilchenfallen und ermöglichen verbesserte Frequenzstandards (wie die Atomuhr).

 

In der Ultrakurzzeit-Messtechnik (Kurzzeitmesstechnik) haben Femtosekundenlaser die zeitaufgelöste Beobachtung chemischer Reaktionen möglich gemacht. (Für die Pionierarbeiten zur Femtochemie erhielt A. H. Zewail1999 den Nobelpreis für Chemie.) Weitere Einsatzgebiete der Laserchemie sind die Reaktionssteuerung photochemischer Reaktionen und die Isotopentrennung.

 

Laser werden in zunehmendem Maße in der medizinischen Diagnostik und Therapie (Lasermedizin) verwendet. Im Umweltschutz ermöglichen sie eine optische Spuren- und Schadstoffanalyse über große Entfernungen (Lidar, Spektralanalyse).

 

Laser mit Leistungen bis zu 10¹⁵ W (Petawattlaser) werden im Hinblick auf die lasergesteuerte Kernfusion (Laserfusion) entwickelt. Dabei spielen nicht nur die Energiezufuhr zur Aufheizung des Fusionsplasmas, sondern auch der gigantische Strahlungsdruck zur Kompression eine große Rolle. Derartige Laser können aber auch zur Simulation von Kernwaffentest eingesetzt werden. - Militärische Anwendung von Niedrigenergielasern sind Zielverfolgung und Zielbeleuchtung sowie der Einsatz als Blendlaser für Sensoren und (verbotenerweise) für Soldaten. Flugzeuggestützte Hochenergielaser (z. B. der chemische Sauerstoff-Jod-Laser mit einer Leistung im Megawattbereich) zur Flugkörperabwehr befinden sich in Entwicklung.

 

Entwicklungen:

 

Wichtige Ziele der Grundlagenforschung sind die Entwicklung von Lasern mit höherer Frequenz, kürzerer Pulsdauer und höherer Impulsleistung. Diese Ziele sind eng miteinander verbunden: Der Vorstoß in den Zeitbereich von Attosekunden (1 as = 10^-18 s) erfordert Laserfrequenzen im Röntgenbereich, da selbst bei 10¹⁸ Hz ein Impuls von 1 as Dauer nur eine Laserschwingung enthält. Derart kurze Impulse würden die zeitaufgelöste Beobachtung der Elektronen in Atomen ermöglichen, so wie die Femtosekundenlaser die zeitaufgelöste Bewegung der Atome in Molekülen möglich machten. Leistungen im Terra- und Petawattbereich können im Labormaßstab wegen der notwendigen Energie nur für weniger als 1 fs erzeugt werden, werden aber auch nur für diese kurzen Zeiten benötigt. Die hohen Leistungen führen bei starker Fokussierung zu elektrischen Feldstärken, die inneratomare Feldstärken weit übertreffen und zu relativistischen Elektronengeschwindigkeiten führen, die durch Atomkerne nur noch wenig gestört werden.

 

Hinsichtlich der Anwendungen werden Monochromasie, Strahlqualität und Frequenz- und Zeitstabilität kontinuierlich verbessert. Die Erhöhung des Wirkungsgrades für die Umwandlung der von außen zugeführten Pumpenergie in Laserstrahlung - sie beträgt beim CO₂-Laser etwa 20 %, bei vielen anderen weniger als 1 % - kann v. a. über verbesserte Pumpsysteme erfolgen. Die höchsten Wirkungsgrade haben stromgepumpte Systeme, insbesondere Laserdioden mit Wirkungsgraden von circa 60 %, sie ersetzen daher zunehmend konventionelle Pumplichtquellen und Gaslaser. Wird kurzwellige Pumpstrahlung benötigt (z. B. zum Pumpen des Titan-Saphir-Lasers), kann dies durch resonatorinterne Frequenzverdopplung erfolgen. Mit dem Einsatz von Laserarrays sind Leistungen bis in den Kilowattbereich möglich. Wegen des niedrigen Schwellstroms und hoher Wirkungsgrade nimmt der Einsatz von Quantenfilm- und Quantenpunktlaserdioden zu, wegen der guten Strahlqualität gewinnen Vertikallaserdioden an Bedeutung, z. B. für parallele optische Datenübertragung. - Mit der 2001 nachgewiesenen stimulierten Emission von polarisationsverschränkten Photonen könnten Laser entstehen, die hinsichtlich der Richtungsverteilung und der Photonenstatistik völlig neuartiges Verhalten zeigen.

 

Gesundheitsschutz:

 

Beim Einsatz von Lasern müssen Maßnahmen zum Schutz der Augen vor Strahlung sowie gegen die Ausbreitung gefährlicher Stäube und Nebel bei der Materialbearbeitung getroffen werden. Zum Schutz von Soldaten wurde 1995 das internationale Laserblendwaffenprotokoll beschlossen, jedoch noch nicht von allen Staaten ratifiziert.

 

Geschichte:

 

Mit der 1917 von A. Einstein vorausgesagten, 1928 von R. Ladenburg und H. Kopfermann in Gasen untersuchten induzierten Emission wurde erstmals 1940 durch den sowjetischen Physiker W. A. Fabrikant eine Lichtverstärkung erreicht. Die Anwendung des Maserprinzips auf Licht unter Heranziehung der induzierten Emission wurde 1958 von A. L. Schawlow und C. H. Townes vorgeschlagen, die theoretischen Grundlagen wurden auch von N. G. Bassow und A. M. Prochorow geschaffen. T. H. Maiman konstruierte 1960 den ersten Rubinlaser. Als erster Gaslaser wurde 1961 (durch A. Javan, W. R. Bennett und D. R. Herriott) ein He-Ne-Laser in Betrieb genommen. 1962 wurden gleichzeitig an verschiedenen Stellen Halbleiterlaser (Galliumarsenid-Laserdioden) entwickelt.

 

1965 arbeitete der erste chemische Laser auf der Basis von Salzsäure (HCL), 1966 die ersten abstimmbaren gepulsten Farbstofflaser, ab 1970 der abstimmbare kontinuierliche Farbstofflaser (mit Rhodamin). Der erste Freie-Elektronen-Laser ermittierte 1977 eine Wellenlänge von 3,5 μm.

 

Meilensteine in der Entwicklung der Festkörperlaser waren 1963 erste abstimmbare Laser mit Übergangsmetallionen (MgF₂: Ni⁺ = nickeldotiertes Magnesiumfluorid bei 1,6. .. 1,8 μm), 1964 der Neodym-YAG-Laser, 1965 der erste Farbzentrenlaser (KCl:Li = lithiumdotiertes Kaliumchlorid bei 2,7 μm, 1974 abstimmbar zwischen 2,6 und 2,8 μm) und 1982 der Titan-Saphir-Laser.

 

Bei den Gaslasern wurde 1962 der He-Ne-Laser perfektioniert, 1964 mit dem 10-μm-Kohlendioxidlaser der leistungsstärkste Gaslaser sowie der Argon-Ionen-Laser entwickelt und mit dem 377-μm-HCN-Laser als erstem Submillimeterlaser die Leistungslücke zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung überbrückt. 1970 folgte der erste lasergepumpte Sumbillimeter-Gaslaser auf der Basis von Monofluormethan (CH₃F), mit dem stimulierte Emission bis zu 3 mm Wellenlänge erreicht wurde. Kürzere Wellenlängen wurden 1971 mit dem ersten Excimerlaser mit Xenon erschlossen. 1985 wurden die ersten optisch, 1994 die ersten elektrisch gepumpten Röntgenlaser realisiert.

 

Die Anwendungsmöglichkeiten von Laserdioden begannen 1967 mit der Einführung des Heterostrukturprinzips (H. Kroemer, Z. Alferov, Nobelpreis 2000) und wurden 1973 durch Verbesserung der Strahlqualität stark erweitert. Seit den 1970er-Jahren erfolgte der Einsatz von Quantenfilmlaserdioden, 1994 wurde der Quantenpunktlaser realisiert. Mit den seit 1988 entwickelten Vertikallaserdioden, die seit 1998 auch als lineare oder flächenhafte Arrays verfügbar sind, stehen für die optische Datenübertragung optimal angepasste Lichtquellen zur Verfügung. 1997 wurde mit der Ergänzung der bis dahin eingesetzten Materialsysteme (Ga, Al)As und (Ga, In)P durch (Ga, In)N der blaue Spektralbereich erschlossen und damit der gesamte sichtbare und nahinfrarote Spektralbereich durch Laserdioden überdeckt.

 

Literatur:

 

H. Weber: L. Eine revolutionäre Erfindung u. ihre Anwendungen (1998);

 D. P. Baur: Das L.-Praxisbuch. Messen, holografieren und experimentieren (²1999);

 F. K. Kneubühl u. M. W. Sigrist: L. (⁵1999);

 A. Donges: Physikal. Grundlagen der L.-Technik (²2000);

 B. Struve: L. Grundlagen, Komponenten, Technik (2001);

 C. B. Hitz, J. J. Ewing u. J. Hecht: Introduction to laser technology (New York ³2001);

 J. Eichler u. H. J. Eichler: L. Bauformen, Strahlführung, Anwendungen (⁴2002);

 

Laser physics at the limits, hg. v. H. Figger u. a. (Berlin 2002).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Laser in der Medizin

 

Laser: Die Grundlagen

 

Laser in der Fertigungstechnik

 

Laser: Laserstrahlung und Aufbau eines Lasers

 

Lasertechnik: Laser zum Bohren, Schneiden, Schweißen und Beschriften

 

Lasertechnik: Laser in der industriellen Messtechnik

 

Photonik: Informationsverarbeitung mit Licht

 

Lasertechnik: Laseranwendungen in der Medizin

 

Lasertechnik: Laseranwendungen in der Forschung

 

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La|ser ['le:zɐ, auch: 'la:zɐ, engl. 'leɪzə], der; -s, - [1: engl. laser, geb. nach: maser (²↑Maser), Kurzwort aus: light amplification by stimulated emission of radiation]: 1. (Physik) Gerät zur Erzeugung u. Verstärkung von kohärentem Licht: Hierfür bietet aber ausschließlich der L. eine ausreichende Lichtintensität (Kosmos 2, 1965, 78); Zwar sandte schon der erste funktionstüchtige L., gebaut 1960 ..., im Millisekundentakt gepulstes Licht aus (Spiegel 21, 1982, 230); Man wollte ihn mit L. operieren (Noll, Häupter 156); die Anwendung von -n in der Medizin, Schweißtechnik. 2. von einer Person zu segelndes Boot mit Steckschwert für den Rennsegelsport (Kennzeichen: stilisierter Laserstrahl).