Allgemeines

Abkürzung für englisch "light amplification by stimulated emission of radiation", "Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Strahlung". Der Laser ist ein Gerät zur Erzeugung sehr intensiver, äußerst stark gerichteter und kohärenter Lichtstrahlen. Er beruht auf demselben physikalischen Prinzip wie der Maser (daher auch die Bezeichnung optischer Maser). Das wichtigste Teil des Lasers ist ein geeignetes Medium, z.B. ein Rubinkristall, mit zwei verspiegelten parallelen Endflächen, von denen eine das Licht voll reflektiert, während die andere Licht z.T. aus dem Kristall austreten lässt. Meist wird durch Einstrahlung einer (ultravioletten) Hilfsfrequenz zunächst ein höherer Energiezustand der Elektronen im Kristall angeregt, von dem aus durch rasche Energieübertragung ein Übergang in ein metastabiles Niveau erfolgt, das normalerweise Ausgangszustand eines Fluoreszenzlichts ist (beim Rubin mit einer Wellenlänge von 694 nm). Der metastabile Zustand wird durch dieses sog. optische Pumpen mit vielen Teilchen besetzt.

Durch den Lasereffekt der induzierten Emission (siehe Maser) entsteht eine Fluoreszenzstrahlung, die im Kristall zwischen den verspiegelten Flächen hin und her läuft und als paralleles Lichtstrahlenbündel austritt.

Neben den kristallinen Festkörper-Lasern, zu denen der Rubin-Laser zählt, wurden zahlreiche andere Lasertypen entwickelt: Laser mit gasförmigem Lasermedium sind die Gas-Laser (z. B. Helium-Neon-Laser), die Ionen-Laser (z. B. Argon-Laser) und die Molekül-Laser (z. B. Kohlendioxid-Laser); der Glas-Laser (z. B. Glas-Neodym-Laser) und der Halbleiter-Laser (z. B. GaAs-Laser) zählen neben kristallinen Festkörper-Lasern zu den Festkörper-Lasern; Laser mit flüssigem Medium sind die chemischen Laser (z. B. Jod-Laser) und die Farbstofflaser.

Eine andere Art der Einteilung beruht auf der Betriebsart des Lasers: Dauerstrich-Laser (z. B. He-Ne-Laser, Impulsdauer > 0,1 s), Impuls-Laser (z. B. Rubin-Laser, Impulsdauer zwischen 1 ms und 0,1 s) und Riesenimpuls-Laser (Impulsdauer zwischen 1 ns bis 1 ms). Während die meisten Laserarten nur Licht einer Wellenlänge oder in einem engen Wellenlängenbereich emittieren, können Farbstoff-Laser in einem weiten Wellenlängenbereich durchgestimmt werden. Halbleiter-Laser bzw. Laserdioden sind für einen weiten Wellenlängenbereich ab 0,404 nm (blaues Licht) bis zum Infraroten (mehrere nm) erhältlich.

Laser sind heute aus vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik nicht mehr wegzudenken; sie finden u. a. Anwendung in Druckern, zur Holographie und Interferometrie, im Vermessungswesen, in der Chirurgie und Augenheilkunde, zur Bestimmung des Schadstoffgehalts der Luft, in der Mess- und Nachrichtentechnik, zum Schweißen und Schneiden von Werkstücken, zum Härten und Legieren von Oberflächen, zur Materialbeschriftung, in der Laserchemie bei der Herstellung von Vinylchlorid, in der Festkörper- und Fusionsforschung.

Da beim Betrieb von Lasern punktuell sehr hohe Leistungen auftreten, müssen die Unfallverhütungsvorschriften streng beachtet werden, um direkte und indirekte Gesundheitsschäden durch den Umgang mit Lasern zu vermeiden (Gefahr von Augenschäden, Brandgefahr, Gefahr der Bildung giftiger Gase durch Zersetzung bestrahlter Stoffe usw.).


Die Geschichte des Lasers

Die Theorie des Lasers geht auf die Formulierung der stimulierten Emission durch A. Einstein zurück. Ch. Townes war der erste, der diese Emission für der Verstärkung einsetzte, indem er den Maser (engl. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) entwickelte.
Die ersten Maser wurden mit Ammoniak-Dampf realisiert; die Emissionswellenlänge von 1,25 cm war in der Größenordnung der Apparaturdimension. 1958 dachten Townes u. A. Schawlow darüber nach das Maser-Prinzip in den optischen Wellenlängenbereich zu übertragen. Da dort aber die Wellenlängen im Bereich von 0,5 mm sind, müssen viel höhere Anforderungen an die Genauigkeit des Aufbaus gestellt werden.
Sie entwickelten das Konzept eines optischen Verstärkers, der sich in einem Resonator aus optischen Spiegeln befindet. 1964 erhielten Townes u. die sovietischen Physiker A. M. Prokhorov u. N. Basov den Nobelpreis für Physik für die Entwicklung des Maser-Laser-Prinzips.
Schawlow erhielt ihn 1981 (zus. mit N. Bloembergen u. K. M. Siegbahn) für die Spektroskopie an Wasserstoff. Experimentell wurde der erste Laser 1960 von
T. H. Maiman (Hughes Research Lab.) realisiert. Es war ein Rubin-Laser, der durch Blitzlampen gepumpt wurde. Den optischen Resonator bildeten Bedampfungen auf den flachen Enden des Rubin-Kristalls.


Die Entwicklung weiterer Laser


Lasertypen

Festkörperlaser
Die gebräuchlichsten Festkörperlasermedien sind Stäbe aus kristallinem Rubin oder Neodym enthaltenden Gläsern oder Kristall. Die Enden eines solchen Stabes sind als zwei parallele Flächen ausgeführt und mit einem hochreflektierenden nichtmetallischen Spiegelbelag versehen. Festkörperlaser bieten die höchste Leistungsausbeute. Sie werden üblicherweise in gepulster Betriebsart benutzt, um einen kurzzeitigen intensiven Lichtblitz zu erzeugen. Kurze Pulse in der zeitlichen Größenordnung von 12 x 10-15­ Sekunden sind erreichbar und wichtig, um etwa physikalische oder biologische Ereignisse von kürzester Dauer untersuchen zu können. Das optische Pumpen geschieht mittels Xenon-Blitzröhren, Lichtbogen- oder Metalldampflampen. Die Frequenzbandbreite kann in den Infrarot- und Ultraviolettbereich erweitert werden, indem mit Hilfe geeigneter Kristalle die Ausgangsfrequenz des Lasers vervielfacht wird, Frequenzen im Röntgenbereich werden erzielt, indem man Yttrium mit Laserstrahlen beschießt.

Gaslaser
Das Lasermedium eines Gaslasers kann ein reines Gas, ein Gasgemisch oder Metalldampf sein und befindet sich zu diesem Zweck normalerweise in einem zylindrischen Gefäß aus Glas oder einem Quarzrohr. Die zwei Spiegel, die den Laserresonator bilden, sind außerhalb dieses Gefäßes angebracht. Gaslaser werden mit UV-Licht, Elektronenstrahlen, elektrischem Strom oder über chemische Reaktionen gepumpt. Der Helium-Neon-Laser ist bekannt für seine Frequenzstabilität, Farbreinheit und minimale Strahlaufweitung. Kohlendioxidlaser haben einen sehr hohen Wirkungsgrad und sind mithin die leistungsstärksten Laser für den Dauerbetrieb.

Halbleiterlaser
Halbleiterlaser sind in ihren Abmessungen die kompaktesten Laser und bestehen aus einem Verbund verschiedener Halbleiterschichten mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten. Der Resonator ist durch zwei reflektierende Bruchflächen auf den Bereich der Rekombinationszone beschränkt. Die hierzu am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind Galliumarsenid, Indiumphosphid und Galliumnitrid. Das Pumpen erledigt der über das Rekombinationsgebiet fließende elektrische Strom. Halbleiterlaser sind geeignet für den Dauerbetrieb und erreichen Wirkungsgrade über 50 Prozent. Es gibt theoretische Ansätze zu einer Methode, die es gestatten soll, die aufgewandte Energie noch wirksamer auszuschöpfen. Dabei sollen winzige Laser vertikal in Schaltkreisen so angeordnet werden, dass sie in einer Dichte von über einer Million pro Quadratzentimeter zu liegen kommen. Alltagsanwendungen von Halbleiterlasern sind z. B. CD-Spieler (siehe Tonaufnahme und -wiedergabe) und Laserdrucker.

Flüssigkeitslaser
Die häufigsten flüssigen Lasermedien sind anorganische Farbstoffe in einem Glasgefäß. Sie werden im Pulsbetrieb mit intensiven Blitzlampen oder im Dauerbetrieb mit einem Gaslaser gepumpt. Die Frequenz eines durchstimmbaren Farbstofflasers kann mit Hilfe eines im Resonatorraum befindlichen Glasprismas eingestellt werden.

Elektronenlaser
1977 gelang es, Laser zu konstruieren, die mit Strahlen freier Elektronen (die nicht an Atome gebunden sind) arbeiten. Ähnlich wie Farbstofflaser sind Elektronenlaser durchstimmbar. Sie wären möglicherweise auch dazu geeignet, hochenergetische Strahlung zu erzeugen (z. B. Synchrotronstrahlung).


Anwendungen

Medizin
Je nach Wellenlänge, eingesetzter Energie und Pulslänge wird biologisches Gewebe koaguliert (=ausflocken, gerinnen lassen), carbonisiert oder vaporisiert (=verdampfen). Besonders das Koagulieren setzt man sehr erfolgreich in der Chirurgie stark durchbluteter Organe ein. Weitere etablierte Techniken sind das Fixieren der Augennetzhaut, das Abtragen von Warzen u. Melanomen von der Haut, das Abtragen von Karzinomen im gynäkologischen, Hals-Nase-Ohren-, Bronchial- und Magen-Darm-Bereich, sowie das Rekanalisieren von Arterien. Durch kurze Pulse kann Gewebe ohne Wärmeeinwirkung auf die Umgebung abgetragen werden (Mikrochirurgie). Neue Verfahren, die sich zum Teil in der klinischen Testphase befinden, beziehen sich auf Steinzertrümmerung, gezieltes Abtragen der Augenhornhaut um Weit- oder Kurzsichtigkeit zu korrigieren, Angioplastie von Herzkoronargefäßen sowie auf die photodynamische Therapie.

Materialbearbeitung
Bohren, Fräsen, Schneiden, Markieren u. Schweißen bes. von hochschmelzenden Materialien. Die Lasertechnik hat sich etabliert sowohl zum Schneiden von Zentimeterdicken Stahlplatten, wie auch für filigrane Arbeiten auf elektronischen Mikrochips. Vorteil des Lasers sind die geringe Materialerwärmung und die hohe Präzision.

Messtechnik
Im Baugewerbe werden Laser zum Ausrichten und Entfernungsmessen eingesetzt, in Flugzeugen als Laserkreisel zum Messen von Drehbewegungen. In der Geologie wird durch Laser die Drift von Schollen der Erdkruste ausgemessen, sowie durch Aussenden von Laserpulsen zu Reflexionssatelliten die Höhe von Bergen oder Senken in der Meeresoberfläche. Der Einsatzbereich von Lasern für die Entfernungsmessung reicht von der Bestimmung des Abstandes Erde-Mond bis Ausmessen des Gitterabstandes von Kristallen (Avogadro-Konstante).

Militär
Abgesehen von dem viel diskutierten SDI-Programm (chemische Laser) werden Laser auch in diesem Bereich bereits eingesetzt. Bei den sog. "smart bombs" wird das Zielobjekt durch einen Laser beleuchtet und die Bombe oder Rakete über Photosensoren und einen Rechner gesteuert genau in das Ziel gelenkt.

Datenübertragung und Informationstechnik
Der modulierte Strahl eines Diodenlasers wird über eine Lichtleitfaser geführt und erlaubt eine wesentlich höhere Datenübertragung als mit herkömmlichem Kupferkabel. Durch Laser wird die Information von CD-Platten oder das codierte Strichmuster (bar code) auf den Artikeln im Supermarkt gelesen.


Sicherheit im Umgang mit Lasern

Weil das menschliche Auge Laserlicht aufnimmt wie anderes Licht auch, besteht wegen der hohen Lichtleistungskonzentration beim Laser immer die Gefahr von Augenschäden, insbesondere von Netzhautverletzungen. Daher sollte Laserlicht unter keinen Umständen in die Augen gelangen können, weder direkt noch als reflektiertes Licht. Nur besonders ausgebildetes Personal mit geeigneten Schutzbrillen darf mit Lasern hantieren.