Spis treści:
- 1 Laser – wie funktioniert er und wo wird er eingesetzt?
- 2 Laser in praktischen Anwendungen
- 3 L.A.S.E.R. - ein Kürzel, das zu einem Eigennamen geworden ist
- 4 Die Idee hinter dem Laser
- 5 Wellencharakter des Laserlichts
- 6 Wellenlänge des Laserlichts
- 7 Laser überall um uns herum
- 8 Laser - medizinische Anwendungen
- 9 Laser - Anwendungen in der Kommunikation
- 10 Laser - industrielle Anwendungen
- 11 Laser in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen
- 12 Laser in militärischen Anwendungen
Laser – wie funktioniert er und wo wird er eingesetzt?
Ohne sie wären zahlreiche technologische Prozesse viel schwieriger und primitiver, und Science-Fiction-Filme und Konzerte von Pink Floyd und Jean-Michel Jarre wären nicht dasselbe – lernen Sie etwas über Laser!
Laser in praktischen Anwendungen
Dieser Artikel beschreibt den Aufbau, die Funktionsweise und die praktischen Anwendungen von Lasern.
L.A.S.E.R. - ein Kürzel, das zu einem Eigennamen geworden ist
Obwohl sich das Wort “Laser” als vollwertiges Wort durchgesetzt hat, sind die Buchstaben, aus denen es besteht, ein Akronym, das in einfachen Worten das Funktionsprinzip dieser Erfindung definiert. Die Entwicklung des Akronyms L.A.S.E.R. steht für “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, was übersetzt “Lichtverstärkung durch erzwungene Emission von Strahlung” bedeutet. Das Akronym selbst und seine Entwicklung sind nur die Spitze des Eisbergs – sehen wir uns an, wie der Laser von Grund auf funktioniert!
Die Idee hinter dem Laser
Die Lichtenergie regt die Elektronen in den Atomen der optischen Materialien an, die sich auf eine höhere Energiebahn begeben. Wenn Elektronen spontan auf ihre normale Umlaufbahn zurückkehren und durch Licht oder Energie “angeregt” werden, senden sie Lichtteilchen, so genannte Photonen, aus. Laserlicht entsteht, wenn die Elektronen in den Atomen optischer Materialien wie Glas, Kristall oder Gas die Energie eines elektrischen Stroms oder Lichts absorbieren.
Durch diese zusätzliche Energie werden die Elektronen so weit “angeregt”, dass sie von einer Umlaufbahn mit niedrigerer Energie in eine Umlaufbahn mit höherer Energie um den Atomkern wechseln. Der Laser nutzt die Quanteneigenschaften von Atomen, die Lichtteilchen, so genannte Photonen, absorbieren und ausstrahlen. Wenn die Elektronen in den Atomen in ihre normale Umlaufbahn – oder ihren Grundzustand – zurückkehren, entweder spontan oder “angeregt” durch Licht oder eine andere Energiequelle, in manchen Fällen sogar einen anderen Laser, geben sie weitere Photonen ab.
Wellencharakter des Laserlichts
Licht bewegt sich in Wellen. Gewöhnliches sichtbares Licht, z. B. von einer Glühbirne oder Taschenlampe, setzt sich aus vielen Wellenlängen oder Farben zusammen und ist inkohärent, d. h. die Wellenberge und -täler bewegen sich mit unterschiedlichen Wellenlängen und in unterschiedliche Richtungen. In einem Laserstrahl sind die Lichtwellen “kohärent” – ein Strahl von Photonen, die sich in dieselbe Richtung, mit derselben Wellenlänge bewegen. Dies wird erreicht, indem geladene Elektronen durch ein optisches “Verstärkungsmedium”, z. B. ein festes Material wie Glas oder ein Gas, geschickt werden.
Wellenlänge des Laserlichts
Die spezifische Wellenlänge des Lichts hängt von der Energiemenge ab, die freigesetzt wird, wenn das angeregte Elektron auf eine niedrigere Umlaufbahn fällt. Die eingebrachte Energie kann je nach Material des Verstärkungsmediums angepasst werden, um die gewünschte Strahlfarbe zu erzielen. Ein Spiegel auf einer Seite des optischen Materials des Lasers reflektiert das Photon zurück zu den Elektronen. Der Raum zwischen den Spiegeln oder “Hohlraum” ist so gestaltet, dass das für eine bestimmte Art von optischem Verstärkungsmedium gewünschte Photon in das Medium zurückgeführt wird, um die Emission eines nahezu exakten Klons dieses Photons zu stimulieren. Beide Teilchen bewegen sich in die gleiche Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit, um an einem weiteren Spiegel auf der anderen Seite abzuprallen und den Klonprozess zu wiederholen. Aus zwei werden vier, aus vier werden acht und so weiter, bis die Photonen so verstärkt sind, dass sie alle in perfekter Harmonie durch die Spiegel und das optische Material laufen. Stellen Sie sich diese als synchronisierte Mitglieder einer Marschkapelle bei einer Parade vor. Diese Kombination verleiht dem Laser seine Leistung. Laserstrahlen können über große Entfernungen hinweg scharf gebündelt bleiben, sogar bis zum Mond und zurück. Ein einfacher Laser, wie z. B. der rote Rubinlaser, besteht aus einem Stab aus Rubinkristallen mit einem Spiegel an jedem Ende und einem Blitzlicht. Das Licht der Blitzlampe fügt dem Stab Energie zu, regt die Rubinatome an und erzeugt Lichtteilchen, so genannte Photonen. Die Photonen treffen auf die Atome und erzeugen immer mehr Photonen, die zwischen den Spiegeln des Stabes hin und her springen. Die Anzahl der Photonen wird so groß, dass sie einen der teilweise reflektierenden Spiegel durchdringen und ein Laserstrahl austritt.
Laser überall um uns herum
Laser gibt es seit 1960, auch wenn die Idee auf das Jahr 1900 zurückgeht (siehe “Das Erbe des Lasers und die Pioniere der Laserfusion”). Heutzutage gibt es Laser in vielen Größen, Formen, Farben und Leistungsstufen, und sie werden für alles Mögliche verwendet, von Operationen in Krankenhäusern bis hin zu Barcode-Scannern im Lebensmittelgeschäft und sogar für die Wiedergabe von Musik, Filmen und Videospielen zu Hause. Vielleicht haben Sie sich einer LASIK-Operation unterzogen, bei der Ihre Sehkraft mit einem winzigen Laser korrigiert wird. Einige Laser, wie z. B. Rubinlaser, senden kurze Lichtimpulse aus. Andere, wie Helium-Neon-Laser oder Flüssigfarbstofflaser, emittieren kontinuierliches Licht. Die NIF sendet wie der Rubinlaser Lichtpulse aus, die nur Milliardstelsekunden dauern.
Das Laserlicht muss nicht sichtbar sein. Die NIF-Strahlen beginnen als unsichtbares Infrarotlicht und durchlaufen dann spezielle Optiken, die sie in sichtbares grünes Licht und anschließend in unsichtbares hochenergetisches ultraviolettes Licht umwandeln, um eine optimale Wechselwirkung mit dem Ziel zu gewährleisten. Laser können winzige Mikrochip-Komponenten sein oder so riesig wie das NIF, der größte und energiereichste Laser der Welt, der in einem 10 Stockwerke hohen und drei Fußballfelder breiten Gebäude untergebracht ist.
Laser - medizinische Anwendungen
Laser werden häufig in der Medizin eingesetzt. Dazu gehören. Beseitigung von Nierensteinen, nicht-invasive Chirurgie, Krebsdiagnose und Strahlentherapie, Korrektur der Augenlinse, faseroptische Endoskopie zur Erkennung von Magen- und Zwölffingerdarmgeschwüren, Behandlung von Lungen- und Lebererkrankungen, Untersuchung von Mikroorganismen und Zellen, Unterstützung chemischer Reaktionen, Erzeugung von Plasma, Entfernung von Polypen, Entfernung von Zahnfragmenten und Zahnmark, die von Gangrän und Nekrose betroffen sind, sowie in der plastischen Chirurgie.
Laser - Anwendungen in der Kommunikation
Laserlicht wird auch in der Kommunikation im weitesten Sinne eingesetzt. Beispiele sind die Datenübertragung über große Entfernungen mittels Glasfaserkabeln mit geringem Signalverlust, die Unterwasserkommunikation und die Kommunikation im Weltraum mittels Radar und Satelliten.
Laser - industrielle Anwendungen
Eine weitere Branche, die ein riesiges Feld für Laseranwendungen darstellt, ist die Industrie im weitesten Sinne. Glas und Quarz können mit Lasern geschnitten werden. In der Elektronikindustrie werden Laser bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen eingesetzt – besonders erwähnenswert sind hier Ultraviolettlaser, die in fotolithografischen Verfahren, z. B. bei der Herstellung von Leiterplatten, Mikroprozessoren und anderen integrierten Schaltkreisen, verwendet werden. Laser können auch zum Scannen von Barcodes und QR-Codes auf Produktverpackungen verwendet werden. Laser werden auch eingesetzt, um Aerosoldüsen und Kontrollöffnungen mit der erforderlichen Präzision zu bohren.
Laser in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen
Ohne Laser wäre die moderne Forschung und Entwicklung viel schwieriger durchzuführen. Dabei hilft unter anderem der Laser. bei der Untersuchung der Brownschen Bewegung von Teilchen. Mit einem Helium-Neon-Laser wurde nachgewiesen, dass die Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen gleich ist. Mit Hilfe des Lasers lässt sich auch die Anzahl der Atome in einer Substanz berechnen. Laser werden in Computern eingesetzt, um gespeicherte Informationen von einer CD abzurufen, auf der die Daten in binärer Form gespeichert sind. Sie werden zur Messung gasförmiger Schadstoffe und anderer Luftschadstoffe verwendet und sind daher unter anderem in Staubsensoren zu finden. In der Astronomie helfen Laser bei der genauen Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Erde. Sie sind auch eine wichtige Arbeitskomponente von Computerdruckern. Sie können auch verwendet werden, um dreidimensionale Bilder im Raum zu erzeugen, ohne ein Objektiv zu verwenden. Laser werden eingesetzt, um seismische Erschütterungen und Nuklearexplosionen unter Wasser aufzuspüren. Der Galliumarsenid-Diodenlaser kann zur Errichtung eines unsichtbaren Zauns verwendet werden, um bewachte Bereiche vor unbefugtem Eindringen zu schützen.
Laser in militärischen Anwendungen
Auch die Militärtechnik im weitesten Sinne des Wortes kommt ohne Laser nicht aus. Ein Beispiel hierfür sind Laser-Entfernungsmesser, die zur Bestimmung der Entfernung zu einem Objekt verwendet werden. Das Ringlaserkreiselgerät wird zur Erkennung und Messung des sehr kleinen Drehwinkels von sich bewegenden Objekten eingesetzt. Laser können als verdeckte Beleuchtungsgeräte für hochpräzise Nachtsicht eingesetzt werden und auch zur Verteilung der Energie von Gefechtsköpfen, indem sie das Projektil beschädigen. Darüber hinaus wird Laserlicht in LIDAR-Systemen verwendet, um die Entfernung zu einem Objekt genau zu messen.
