Laser

Definition und Funktionsweise

Ein Laser ist ein Gerät, das Licht mit besonderen Eigenschaften erzeugt. Das Wort „Laser“ ist ein Akronym für „light amplification by stimulated emission of radiation“, also „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Laserstrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen. Sie kann besonders intensiv, stark gebündelt und bei Dauerstrichlasern in einem engen Frequenzbereich monochrom, also einfarbig, sein. Dadurch besitzt sie häufig eine große Kohärenzlänge: Die Lichtwellen bleiben über eine längere Strecke in einer festen Phasenbeziehung.

Ein Laser besteht konzeptionell aus drei Bestandteilen:

• Das aktive Medium oder Lasermedium, zum Beispiel ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Kristall oder ein Halbleitermaterial. In ihm entstehen durch Übergänge angeregter Atome oder Moleküle Photonen.
• Die Pumpe führt Energie zu, meist optisch durch Licht oder elektrisch durch eine Gasentladung beziehungsweise elektrischen Strom. Dadurch wird eine Besetzungsinversion erzeugt: Im oberen Laserniveau befinden sich mehr Teilchen als im unteren.
• Der Resonator besteht meist aus zwei Spiegeln, zwischen denen sich das Lasermedium befindet. Ein Spiegel ist teildurchlässig. Durch ihn tritt ein Teil der verstärkten Strahlung als Laserstrahl aus.

Beim Pumpen werden Teilchen zunächst in höhere Energiezustände gebracht. Von dort gelangen sie in ein langlebigeres Laserniveau. Trifft ein Photon mit passender Energie auf ein angeregtes Teilchen, wird ein zweites Photon ausgesendet, das dieselbe Energie, Flugrichtung, Wellenlänge, Frequenz und denselben Phasenwinkel besitzt. Beide Photonen können weitere Emissionen auslösen. So entsteht eine lawinenartige stimulierte Emission.

Die grundlegenden Voraussetzungen für den Laserbetrieb sind eine Besetzungsinversion ΔN = N₁ − N₂ < 0 und – bei Verwendung eines Resonators – eine Verstärkung, die größer als die Verluste durch Absorption, Streuung und Spiegelverluste ist. Die Frequenz des ausgesendeten Lichts hängt von der Energiedifferenz ΔE der Niveaus ab: ν = ΔE/h beziehungsweise ω = 2πν = ΔE/ℏ. Dabei sind h die Planck-Konstante und ℏ = h/(2π) die reduzierte Planck-Konstante.

Energieniveaus und Resonator

Ein stabiles Zweiniveausystem reicht für einen Laser nicht aus. Im Gleichgewicht ergibt sich dort die Besetzungsinversion

ΔNˢ = N/(1 + 2I/Iˢ),

wobei Iˢ = A/B die Sättigungsintensität ist. Die Inversion bleibt immer positiv; es befinden sich also stets weniger Teilchen im oberen als im unteren Laserniveau. Bei gleicher Besetzung sind Absorption und stimulierte Emission gleich wahrscheinlich, zusätzlich tritt spontane Emission auf.

Im Dreiniveausystem wird ein drittes Niveau E₃ oberhalb des oberen Laserniveaus eingeführt: E₁ < E₂ < E₃. Das Pumpen erfolgt von E₁ nach E₃; der Übergang von E₃ nach E₂ erfolgt sehr schnell, sodass N₃ ≈ 0 gilt. Für die Inversion ergibt sich

ΔNˢ = N(1 − I/Iˢ)/(1 + I/Iˢ).

Sobald I > Iˢ ist, wird ΔNˢ negativ und eine Besetzungsinversion möglich.

Das Vierniveausystem besitzt zusätzlich ein Niveau E₀ unterhalb des unteren Laserniveaus: E₀ < E₁ < E₂ < E₃. Der Übergang von E₁ nach E₀ erfolgt sehr schnell. Näherungsweise gilt N ≈ N₀ + N₂ und

ΔN = N₁ − N₂ ≈ −N₂,

beziehungsweise

ΔN = −N(I/Iˢ)/(1 + I/Iˢ).

Die Inversion ist hier immer negativ. Deshalb werden praktisch alle modernen Laser als Vier- oder Mehrniveausysteme konzipiert.

Der Laserresonator führt die durch spontane Emission gestartete Strahlung wiederholt durch das Gebiet mit Besetzungsinversion. Die Laserschwelle ist überschritten, wenn die Verstärkung größer als die Verluste ist. Für zulässige Resonanzfrequenzen gilt

L = nλ/2 ⇔ ν = nc/(2L),

wobei n eine natürliche Zahl, L die Resonatorlänge, λ die Wellenlänge und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Andere Frequenzen werden durch destruktive Interferenz abgeschwächt. Beim Ringresonator läuft das Licht stattdessen auf einem geschlossenen Pfad.

Die Resonatorstabilität einfacher Resonatoren wird mit den g-Faktoren beschrieben:

g₁ = 1 − L/R₁ und g₂ = 1 − L/R₂.

Für einen stabilen Resonator gilt 0 < g₁g₂ < 1. Bei g₁g₂ > 1 oder g₁g₂ < 0 ist er instabil. Stabile Resonatoren verbessern Strahlqualität und Kohärenz, instabile Resonatoren können bei hoher Verstärkung und gewünschter hoher Ausgangsleistung vorteilhaft sein.

Strahleigenschaften und Lasertypen

Laserstrahlen erlauben eine starke Kontrolle von Brillanz, Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase und Zeit. Ein Laserstrahl muss jedoch nicht immer eng gebündelt oder schmalbandig sein. Bei guter Strahlqualität besitzt die laterale Leistungsdichte häufig ein Gaußprofil.

Die Frequenz wird durch das Lasermedium und seine möglichen Energieübergänge festgelegt. Ein Kohlendioxidlaser kann beispielsweise in einer Verstärkungsbandbreite von 9 bis 11 µm arbeiten und emittiert typischerweise bei 10,6 µm. Besonders schmalbandige Laser werden etwa für interferometrische Längenmessungen genutzt. Superkontinuum-Laser sind dagegen extrem breitbandig und werden unter anderem in der optischen Kohärenztomographie und zur Erzeugung von Frequenzkämmen eingesetzt.

Kohärenz bedeutet, dass Lichtwellen über eine bestimmte Strecke, die Kohärenzlänge, phasengleich bleiben. Deshalb sind Laser für die Holografie wichtig. Die Polarisation ist durch optische Bauteile im Resonator meistens linear. Beim Metallschneiden kann jedoch zirkulare Polarisation verwendet werden, weil linear polarisierte Strahlung zu richtungsabhängiger Absorption und schlechterer Schnittkantenqualität führen kann.

Dauerstrichlaser geben eine Lichtwelle mit konstanter Intensität ab. Im Idealfall sind sie monochrom und zeitlich beziehungsweise longitudinal kohärent. Pulslaser erzeugen dagegen einzelne oder regelmäßige Strahlpulse. Sehr kurze Pulse benötigen eine große Verstärkungsbandbreite: Je kürzer die Pulsdauer, desto breiter ist nach den Gesetzen der Fourier-Analyse das Spektrum. Die kürzesten Pulse liegen in der Größenordnung von Femto- und Attosekunden. Mit Güteschaltung, Modenkopplung oder sättigbaren Absorbern können energiereiche Pulse erzeugt werden. Spitzenleistungen reichen bis in den Petawatt-Bereich; dabei kann Luft durch die hohe elektrische Feldstärke ionisiert werden.

Laser werden nach dem Lasermedium eingeteilt. Gaslaser sind etwa der Helium-Neon-Laser mit 632,8 nm und der Kohlendioxidlaser mit 10,6 μm. Excimerlaser und Metalldampflaser sind besondere Gaslaser. Flüssige Lasermedien heißen Farbstofflaser; sie besitzen eine große, kontinuierliche und abstimmbare Bandbreite. Festkörperlaser nutzen Kristalle, dotiertes Glas oder Halbleiter. Beispiele sind Nd:YAG-Laser, Laserdioden und Titan:Saphir-Laser. Formen sind unter anderem Stab-, Slab-, Faser- und Scheibenlaser. Der Freie-Elektronen-Laser emittiert gerichtete Strahlung vom Mikrowellen- bis zum Röntgenbereich, erzeugt sie aber nicht durch stimulierte Emission in einem Lasermedium und ist daher im eigentlichen Sinne kein Laser.

Entwicklung und Anwendungen

Albert Einstein beschrieb 1916 die stimulierte Emission; 1928 wurde sie von Rudolf Ladenburg experimentell nachgewiesen. Das Maserprinzip wurde 1954 im Mikrowellenbereich durch Charles Townes realisiert. Theodore Maiman stellte am 16. Mai 1960 den ersten Laser, einen Rubinlaser, fertig. Ebenfalls 1960 entstand der erste Gaslaser, der Helium-Neon-Laser. Zwei Jahre später wurden die ersten halbleiterbasierten Laser entwickelt. In den 1980er Jahren ermöglichten durchstimmbare und breitbandige Laser Ultrakurzpulslaser mit Pikosekunden- und Femtosekundenpulsen. In den 1990er Jahren wurden Scheibenlaser und Faserlaser entwickelt; Faserlaser erreichten Leistungen bis 20 kW. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden Attosekundenpulse im Röntgenbereich erzeugt.

Im Alltag befinden sich Laserdioden in Laserdruckern sowie CD-, DVD- und Blu-ray-Laufwerken. Laserpointer, Barcodelesegeräte, Lasershows, Planetariumsprojektoren und die Laserharfe sind weitere Anwendungen.

Für Datenübertragung werden Dioden- und Faserlaser in Lichtwellenleitern eingesetzt. Laserkommunikation zwischen Satelliten oder Raumfahrzeugen kann wegen der höheren Frequenz höhere Datenraten als Radiowellen ermöglichen; die Atmosphäre erschwert jedoch die Verbindung zur Erde. Laserscanning dient der Objektvermessung und Nivellierung.

In der Industrie ermöglichen Laser Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und das Ändern von Stoffeigenschaften. Beispiele sind Lasersintern, Stereolithografie, Laserschneiden und -bohren, Laserablation, Schweißen, Löten, Beschriften und Polieren. Im 3D-Druck wird pulverförmiges Material Schicht für Schicht aufgeschmolzen. Laser schreiben außerdem mikrometer- und submikrometergroße Strukturen für Bildschirmmasken, Leiterplatten, integrierte Schaltkreise und Sensoren.

In der Medizin werden Laser zur Diagnostik, etwa bei der Flowmetrie, und zur Wund- und Schmerzbehandlung eingesetzt. In der Augenheilkunde dienen Argonlaser zur Koagulation und Retinopexie, Nd:YAG- und Femtosekundenlaser zur Photodisruption sowie Excimerlaser zur Photoablation bei PRK oder LASIK. Weitere Anwendungen betreffen Kataraktoperationen, Endoskopie, Laserskalpelle, Krampfadern, Hautbehandlungen, Zahnmedizin, photodynamische Krebstherapie sowie Nieren-, Harnleiter- und Prostatabehandlungen. Der medizinische Abschnitt des Artikels ist als grundlegend überarbeitungsbedürftig markiert.

Weitere Einsatzgebiete sind Entfernungsmessung, Lidar, Laserkreisel, Laser-Doppler-Messungen, Urananreicherung, militärische Zielmarkierung und Laserwaffen sowie die Forschung in Spektroskopie, Geodäsie, Zellbiologie, Astronomie und superauflösender Mikroskopie. Zur Homogenisierung wird ein ungleichmäßiges oder gaußförmiges Strahlprofil beispielsweise durch Mehrfachreflexion in innen reflektierenden Rohren oder Lichtleitern in ein möglichst gleichmäßiges Profil überführt.

Gefahren und Laserklassen

Laser können wegen ihrer hohen Konzentration elektromagnetischer Leistung biologische Schäden und Sachschäden verursachen. Die Gefährdung hängt von Wellenlänge, Leistungs- oder Energiedichte, Bündelung und Einwirkzeit ab. Direkte, unbeabsichtigt gerichtete reflektierte und diffus gestreute Strahlung müssen berücksichtigt werden.

Im Bereich etwa 350 bis 1200 nm kann die Augenlinse den Strahl auf die Netzhaut fokussieren. Bereits wenige Milliwatt können Netzhautschäden und partielle Erblindung verursachen; diese Schäden werden oft zunächst nicht bemerkt. Strahlung oberhalb etwa 1400 nm wird überwiegend von der Hornhaut absorbiert und kann dort Verbrennungen verursachen. Der Bereich von 1,5 bis 2 µm wird als „augensicher“ bezeichnet, obwohl bei etwa 3 µm die geringe Absorptionstiefe von weniger als 0,1 mm Hornhautschäden begünstigt. Unterhalb etwa 400 nm können photochemische Schäden, Sonnenbrand-ähnliche Hautschäden sowie Trübungen von Hornhaut und Linse entstehen. Ultrakurzpulslaser können bei geeigneter Energie und Pulsdauer Röntgenstrahlung erzeugen. Bei der Materialbearbeitung entstehen außerdem giftige Gase, Stäube und Aerosole. Ausreichend starke oder fokussierte Strahlung kann Brände und Explosionen auslösen.

Lasergeräte werden nach DIN EN 60825-1 entsprechend ihrer biologischen Gefährlichkeit klassifiziert. Klasse 1 ist zugänglich ungefährlich oder vollständig gekapselt; Klasse 1C ist für das Auge ungefährlich, kann aber die Haut gefährden; Klasse 1M ist ohne optische Instrumente ungefährlich. Klasse 2 betrifft sichtbare Strahlung von 400 nm bis 700 nm und gilt bei höchstens 0,25 s Bestrahlung als ungefährlich. Klasse 2M hat dieselbe Einschränkung bei Verwendung optischer Instrumente. Klasse 3R ist für das Auge gefährlich, Klasse 3B für das Auge und in besonderen Fällen für die Haut. Klasse 4 ist für Auge und Haut sehr beziehungsweise gefährlich; auch diffuse Streustrahlung sowie Brand- und Explosionsgefahr sind möglich.

Der Lidschlussreflex tritt laut einer wissenschaftlichen Untersuchung nur bei etwa 20 % der Testpersonen auf und darf daher bei Klasse 2 und 2M nicht als Regelfall vorausgesetzt werden. Die alte Klassifizierung nach DIN VDE 0837 galt in Deutschland bis März 1997. Sie umfasste die Klassen 1, 2, 3a, 3b und 4; Klasse 3a wird heute meist als 2M oder 3R eingestuft.

In Deutschland muss jede Einrichtung, die Laser ab Klasse 3R benutzt, eine unterwiesene Person als Laserschutzbeauftragten benennen. Vorrangig soll die Strahlung vollständig abgeschirmt werden. Falls dies nicht möglich ist, sind technische Maßnahmen, Qualifikation, Warnlampen, überwachte Zugangstüren und geeignete Schutzbrillen erforderlich. Showlaser dürfen auch bei Steuerungs- oder Spiegelversagen nicht ins Publikum strahlen.