Laser: Die Grundlagen

Laser: Die Grundlagen

 

Anders als natürliche und konventionelle Lichtquellen (z. B. Sonne, Glühlampe) ist Laserlicht sehr intensiv, einfarbig und scharf gebündelt. Jede einzelne dieser Eigenschaften zeichnet den Laser aus und erschließt ihm dadurch neue Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, Wissenschaft, Unterhaltungselektronik, Holographie, Nachrichtentechnik oder Materialbearbeitung.

 

Die theoretischen Grundlagen zum Laserprinzip wurden bereits 1917 von Albert Einstein in der Quantentheorie des Lichts aufgestellt, aber erst Jahrzehnte später in ihrer praktischen Bedeutung erkannt. Theodore Harold Maiman konnte 1960 den ersten Laser, einen Rubinlaser, der tiefrotes Licht ausstrahlt, technisch realisieren. Heute existiert eine große Vielzahl verschiedenster Lasertypen, sodass nicht nur für den sichtbaren Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums geeignete Lasersysteme zur Verfügung stehen. Genau wie das von allen anderen Lichtquellen ausgesandte Licht, so ist auch Laserlicht eine elektromagnetische Strahlung, die sich in Wellenform ausbreitet. Zu den besonderen Eigenschaften des Lasers gehören: Monochromasie und Kohärenz.

 

 Monochromasie

 

Herkömmliches weißes Licht zeigt, durch ein Prisma geschickt, ein Spektrum aus vielen Farben. Jede einzelne dieser Farben zeigt für sich ein relativ breites Band im Frequenzbereich. Bei der Laserstrahlung besitzen alle Wellenzüge nahezu die gleiche Frequenz bzw. nur eine einzige Wellenlänge. Laserlicht ist somit spektral schmalbandig bzw. einfarbig (monochromatisch). Es gibt Laser, die prinzipiell nur eine einzige feste Frequenz ausstrahlen, und solche, bei denen sogar einzelne Wellenlängen mit extrem geringer Linienbreite innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs ausgewählt werden können (z. B. Farbstofflaser). Mittels in den Laser integrierter Prismen oder Gitter werden diese Wellenlängen herausgesucht (Wellenlängendurchstimmbarkeit). Besondere Techniken ermöglichen es, den Spektralbereich zu ergänzen oder auszudehnen. So kann die ausgestrahlte Laserfrequenz vervielfacht werden, wenn das Licht durch geeignete Kristalle geschickt wird. Die Intensität des Laserlichtes wird dabei aber deutlich verringert.

 

 Kohärenz

 

Alle Wellenzüge der Laserstrahlung haben die gleiche Amplitude. Sie entstehen zur gleichen Zeit und bewegen sich im »Gleichschritt« in dieselbe Richtung fort, d. h., sie sind zeitlich und räumlich kohärent. Da sich die vielen parallelen Wellenzüge deckungsgleich, d. h. in Phase, überlappen, erhält man so bei Überlagerung (Interferenz) der Wellenzüge eine große Laserstrahlungsintensität. Diese phasengleiche Interferenz der Wellenzüge bedingt eine maximale Addition der Wellenberge (Amplituden).

 

 Hohe Intensität und Fokussierbarkeit

 

Aufgrund der räumlichen Kohärenz bewegen sich die Wellenzüge auch auf große Entfernungen nahezu parallel und erzeugen einen scharf gebündelten, intensiven Lichtstrahl. Seine räumliche Ausdehnung zeigt im Gegensatz zu der einer konventionellen Lampe (Taschenlampe) auch in der Ferne nur eine sehr geringe Strahlaufweitung (Strahldivergenz). Daher kann der Laserstrahl über längere Strecken in Lichtleitern geführt werden. Dies erlaubt eine flexible Strahlführung und exakte Positionierung des Strahls.

 

Aufgrund der geringen Strahldivergenz ist es möglich, den Laserstrahl mit Linsen auf einen Punkt zu bündeln (fokussieren), dessen Durchmesser bis in die Größenordnung der Laserwellenlänge verkleinert werden kann. Eine Eigenschaft, die besonders in der präzisen industriellen Materialbearbeitung (Bohren, Schneiden) und in der Medizin (z. B. Laserskalpell) genutzt wird. Hierbei kommt den Anwendern neben der geringen Strahldivergenz die bereits relativ große Ausgangsintensität zugute, die durch Bündelung weiter gesteigert wird.

 

Die Intensität der Strahlung wird außerdem durch die Betriebsart des Lasers bestimmt. Es gibt Lasersysteme, die kontinuierlich Strahlung aussenden und solche, die Licht in kurzen Pulsen ausstrahlen. Im normalen Pulsbetrieb liegen die Pulsdauern bei 10^-3 s bis 10^-9 s. Beim Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser) sind beide Betriebsarten möglich. Im kontinuierlichen Betrieb (Dauerstrichbetrieb) werden mit diesem Laser Leistungen von einigen 10 kW und im Pulsbetrieb von 100 W bis 1012 W erreicht. Derart hohe Spitzenleistungen können allerdings nur mit zusätzlichen speziellen technischen Verfahren wie der Güteschaltung und Modenkopplung realisiert werden, bei denen die Ausgangsleistung durch Herabsetzen der Strahlungsdauer vergrößert wird. Auf diese Weise können heute extrem kurze, intensive Lichtpulse im Bereich von 10^-12 s bis 10^-15 s erzeugt werden.

 

Laser unterscheiden sich durch ihre Größe sowie insbesondere durch die Frequenz ihrer ausgesandten Strahlung. Die Ausstrahlung (Emission) von Laserlicht kommt durch die Wechselwirkung der Atome bzw. Moleküle des jeweiligen laseraktiven Materials (aktives Medium) mit Photonen zustande. Eine Einteilung der Laser erfolgt in der Regel nach ihren aktiven Medien in: Gas-, Flüssigkeits-, Festkörper-, Halbleiter- (Dioden) und Plasmaröntgenlaser.

 

 Das Laserprinzip

 

Das der Laserlichterzeugung zugrunde liegende Prinzip findet sich abgekürzt in den Anfangsbuchstaben des Wortes LASER wieder: light amplifikation by stimulated emission of radiation. D. h., eine Lichtverstärkung wird durch eine erzwungene Aussendung von Strahlung (stimulierte bzw. induzierte Emission) hervorgerufen. Dieser Prozess wird durch die atomare Struktur der aktiven Medien, insbesondere der Energiezustände (Energieniveaus) bzw. der Elektronenverteilung innerhalb der Atome, bestimmt:

 

∙ Absorption: Um ein Elektron in ein höheres Energieniveau im Atom zu heben, muss es Energie aufnehmen (absorbieren). Bei der Anregung des Elektrons und damit des Atoms (z.B. durch Licht) muss die Frequenz des Photons (kleinstes Energieteilchen der elektromagnetischen Strahlung) genau der Energiedifferenz zwischen Δ E zwei Energieniveaus entsprechen.

 

∙ Spontane Emission: In dem angeregten Zustand verweilt das Elektron etwa 10^-8 s und springt dann spontan wieder auf das untere Niveau, den Grundzustand des Atoms, zurück. Das ursprünglich absorbierte Photon wird in beliebiger Raumrichtung spontan emittiert. In einer konventionellen Lichtquelle werden viele Atome bzw. Moleküle gleichzeitig angeregt, aber der Übergang in den Grundzustand findet statistisch statt, sodass zu verschiedenen Zeiten und in alle Raumrichtungen Wellenzüge emittiert werden. Diese Strahlung ist inkohärent.

 

∙ Stimulierte Emission: Wird ein zweites Photon mit derselben Frequenz wie das erste eingestrahlt, so werden sowohl das absorbierte als auch das zweite aufgenommene Photon gleichzeitig vom Atom wieder ausgestrahlt. Eine Emission wird erzwungen, d. h. stimuliert bzw. induziert, bevor das absorbierte erste Photon spontan emittiert ist. Beim Prozess der stimulierten Emission sind sowohl die Ausstrahlungsrichtungen als auch die Phasen und Wellenlängen der beiden Photonen gleich. Das emittierte Licht ist kohärent und intensiv. Die beiden emittierten Photonen können nun ihrerseits wieder zwei angeregte Elektronen synchron zur stimulierten Emission veranlassen. Dieser Prozess führt zu einer lawinenartigen Verstärkung der Photonenanzahl. Der Laser arbeitet also als Lichtverstärker.

 

Der dritte Prozess allein wäre der ideale Fall, jedoch konkurrieren mit der stimulierten Ausstrahlung die spontanen Emissions- und die Absorptionsprozesse. Die induzierte Emission kann aber dann begünstigt werden, wenn sich mehr Atome im angeregten als im Grundzustand befinden. Diese Verteilung ist Voraussetzung für die Erzeugung kohärenter Strahlung. Sie wird Inversion genannt, da es sich entgegen der möglichen Besetzung der Energieniveaus bei normalen Temperaturen um eine zahlenmäßige Besetzungsumkehr handelt. Die Inversionsbedingung kann durch ein Drei- oder Vierniveaulasersystem realisiert werden. Beim Dreiniveaulasersystem (z. B. Rubinlaser) werden die Elektronen durch Licht in das Niveau E₃ »gepumpt«, wechseln strahlungslos in das obere Laserniveau E₂, in dem sich nun viel mehr Elektronen als im Grundzustand E₁ befinden. Es hat eine Inversion stattgefunden, da die Elektronen im oberen Laserniveau eine relativ lange Zeit verweilen, bis sie stimuliert Laserstrahlung aussenden. Fast allen Lasertypen liegen jedoch Vierniveausysteme zugrunde, da diese eine geringere Pumpleistung zur Inversionserzeugung erfordern.

 

 Aufbau eines Lasers

 

Der typische Aufbau eines jeden Lasers besteht aus drei Grundbausteinen:

 

∙ Laseraktives Medium: Hier wird die Laserstrahlung durch stimulierte Emission erzeugt.

 

∙ Pumpquelle (Energiezufuhr): Diese führt die zur Erzeugung der Inversion nötige Energie zu, je nach Lasertyp z. B. durch Lichtquellen (Blitzlampen oder ein zweiter Laser), durch eine Gasentladung, durch chemische oder elektrische Anregung.

 

∙ Resonator: Dieser besteht aus einer Spiegelanordnung und dient zur Rückkopplung der Laserstrahlung. Zwischen zwei oder mehreren hochreflektierenden Spiegeln wird die Laserstrahlung aufgebaut und verstärkt, die dann durch einen teildurchlässigen Spiegel ausgekoppelt wird.