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Laser

Grundlegende Bestandteile

Ein Laser besteht konzeptionell aus drei Bestandteilen:

Aktives Medium (Lasermedium)
Im aktiven Medium entstehen durch den optischen Übergang angeregter Atome oder Moleküle in einen energetisch günstigeren Zustand Photonen. Zentrale Bedingung für ein Lasermedium ist, dass sich eine Besetzungsinversion herstellen lässt. Das bedeutet, dass der obere Zustand des optischen Übergangs mit einer höheren Wahrscheinlichkeit besetzt ist als der untere. Ein solches Medium muss mindestens über drei Niveaus verfügen und kann gasförmig (z. B. CO2), flüssig (z. B. Farbstofflösungen) oder fest (z. B. Rubinkristall, Halbleitermaterial) sein.
Pumpe
Um eine Besetzungsinversion herbeizuführen, muss in das Lasermedium Energie hineingepumpt (englischpumping) werden. Damit dieser Pumpprozess nicht mit der stimulierten Emission konkurriert, muss dieser auf einem anderen quantenmechanischen Übergang basieren. Das Pumpen kann optisch (Einstrahlung von Licht) oder elektrisch (z. B. Gasentladung, elektrischer Strom bei Laserdioden) die Atome oder Moleküle des Lasermediums in angeregte Zustände bringen.
Resonator
Ein Resonator besteht zum Beispiel aus zwei parallelen Spiegeln, zwischen welchen sich das aktive Lasermedium befindet. Photonen, deren Propagation senkrecht zu den Spiegeln verläuft, verbleiben im Resonator und können daher mehrfach die Emission weiterer Photonen im aktiven Medium auslösen (stimulieren). Ein auf diese Weise entstehendes Photon entspricht in allen Quantenzahlen dem auslösenden Photon. Spontane Photonen, die den Resonator zum Beispiel quer verlassen, stimulieren dementsprechend eher keine weiteren Photonen. Diese Selektion des Resonators führt zur engen Abstrahlrichtung von Laserstrahlung. Manche Resonatoren sind auch wellenlängenselektiv (dichroitische Spiegel, Bragg-Gitter) und können dadurch die anschwingenden longitudinalen Moden weiter einschränken. In manchen hochverstärkenden Lasermedien ist ein Resonator zum Erzielen stimulierter Emission nicht zwingend erforderlich (siehe Superstrahler).

Funktionsweise

Zunächst werden Atome im Lasermedium durch die eingespeiste Leistung von unteren Energieniveaus (z. B. Grundzustand) in energetisch höhere, d. h. angeregte Zustände versetzt. Dabei soll die mittlere Zerfallszeit der angeregten Zustände (in der Regel durch spontane Emission) möglichst lang sein. Somit bleibt die Pumpenergie dort „längere“ Zeit gespeichert, sodass eine Besetzungsinversion aufgebaut werden kann. Nun genügt eine Stimulierung eines Atoms durch ein Photon mit der auszustrahlenden Energie, damit das angeregte Atom wieder in seinen Grundzustand zurückfällt und dabei ein Photon der identischen Energie (also identischer Wellenlänge und Frequenz) sowie identischer Phasenlage wie das stimulierende Photon aussendet. Beide Photonen bewegen sich in die gleiche Richtung. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstärker. Das „frisch entstandene“ zweite Photon kann dann seinerseits andere angeregte Atome zur Ausstrahlung stimulieren, und es kommt zu einer Kettenreaktion.

Zu dieser Verstärkerwirkung kommt dann noch hinzu, dass sich die Anordnung in einem Resonator (s. u. bei Laserresonator) befindet, der durch seine Abmessungen auf die gewünschte Wellenlänge abgestimmt ist. So hat ein Photon bei mehrfachem Durchlaufen des Lasermediums genügend Chancen, andere Atome zu stimulieren. Der Resonator ist im Prinzip aus zwei Spiegeln an den Enden der Anordnung gebildet. Durch diese Spiegel wird auch die Richtung des erzeugten Lichtstrahls endgültig festgelegt. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig ausgeführt, so dass ein Teil des Lichts austreten und seiner Nutzung zugeführt werden kann.

Albert Einstein beschrieb bereits 1916 die stimulierte Emission als eine Umkehrung der Absorption. 1928 gelang Rudolf Ladenburg der experimentelle Nachweis. Danach wurde lange gerätselt, ob der Effekt zur Verstärkung des Lichtfeldes benutzt werden könnte, da zum Erreichen der Verstärkung eine Besetzungsinversion eintreten musste. Diese ist aber in einem stabilen Zweiniveausystem unmöglich. Zunächst wurde ein Dreiniveausystem in Betracht gezogen, und die Rechnungen ergaben eine Stabilität für Strahlung im Mikrowellenbereich, 1954 realisiert im Maser von Charles H. Townes, der Mikrowellenstrahlung aussendet. Danach wurde unter anderem auch von Townes und Arthur L. Schawlow an der Übertragung des Maserprinzips auf kürzere Wellenlängen gearbeitet. Optisches Pumpen wurde Anfang der 1950er Jahre von Alfred Kastler eingeführt. In den 1950er Jahren entdeckten auch die sowjetischen Wissenschaftler und Nobelpreisträger Alexander Michailowitsch Prochorow und Nikolai Gennadijewitsch Bassow unabhängig das Maserprinzip und Optisches Pumpen und Prochorow schlug 1958 die Realisierung bei kürzeren Wellenlängen in einem Rubinlaser vor. Der erste Laser – ein Rubinlaser – wurde von Theodore Maiman am 16. Mai 1960 fertiggestellt. Der erste Gaslaser, der Helium-Neon-Laser, wurde ebenfalls 1960 entwickelt (Ali Javan, William R. Bennett, Donald R. Herriott).

Geprägt wurde der Begriff Ende der 1950er Jahre durch Gordon Gould in Anlehnung an den Maser; Gould nutzte den Begriff erstmals 1957 in seinen Notizen. Frühe Veröffentlichungen nannten den Laser nochoptical maser (optischer Maser).

Die weitere Entwicklung führte dann zunächst zu verschiedenen Gaslasern (Sauerstoff-, Stickstoff-, CO2-Laser, He-Ne-Laser) und danach zu Farbstofflasern (das laseraktive Medium ist flüssig) durch Fritz P. Schäfer und Peter Sorokin (1966). Eine Weiterentwicklung von Kristalltechnologien ermöglichte eine sehr starke Erweiterung des spektralen Nutzbereiches. Durchstimmbare Laser zum Anfahren einer bestimmten Wellenlänge und breitbandige Laser wie z. B. der Titan-Saphir-Laser läuteten in den 1980er Jahren die Ära der Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von Piko- und Femtosekunden ein.

Die ersten Halbleiterlaser wurden in den 1960er Jahren entwickelt (Robert N. Hall 1962, Nick Holonyak 1962 im sichtbaren Spektralbereich, Nikolai Bassow), praktikabel aber erst mit der Entwicklung von Halbleiterlasern auf Basis von Heterostrukturen (Nobelpreis für Herbert Kroemer, Schores Alfjorow). In den späten 1980er Jahren ermöglichte die Halbleitertechnik immer langlebigere, hocheffektive Halbleiter-Laserdioden, die mit kleiner Leistung in CD- und DVD-Laufwerken oder in Glasfaser-Datennetzen eingesetzt werden und inzwischen nach und nach als Pumpquellen mit Leistungen bis in den kW-Bereich die wenig effektive Lampenanregung von Festkörperlasern ersetzen.

In den 1990er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechniken und Leistungen bis 20 kW zunehmend Anwendungen bei der Materialbearbeitung, bei der sie die bisher gebräuchlichen Typen (CO2-Laser, lampengepumpte Nd:YAG-Laser) teilweise ersetzen können. Ende der 1990er Jahre erreichten blaue und ultraviolette Laserdioden die Marktreife (Shuji Nakamura).

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden erstmals nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen. Damit ließen sich zeitliche Abläufe im Inneren eines Atoms verfolgen. Inzwischen ist der Laser zu einem bedeutenden Instrument der Industrie, Medizin, Kommunikation, Wissenschaft und Unterhaltungselektronik geworden.

Im aktiven Medium im Resonator befindet sich eine feste Anzahl N {\displaystyle N} Atome oder Moleküle mit jeweils mehreren, aber immer den gleichen, Energieniveaus. Zwei dieser Niveaus, bezeichnet als unteres Laserniveau E 1 {\displaystyle E_{1}} und oberes Laserniveau E 2 {\displaystyle E_{2}} (wobei E 1 < E 2 {\displaystyle E_{1}<E_{2}} ), bilden den Laserübergang. Der Laserübergang ist derjenige optische Übergang, dessen Energiedifferenz der Frequenz des Laserlichts entspricht. Die Differenz Δ N = N 1 N 2 {\displaystyle \Delta N=N_{1}-N_{2}} zwischen der Anzahl der Teilchen im unteren N 1 {\displaystyle N_{1}} und oberen Laserniveau N 2 {\displaystyle N_{2}} wird als „Inversion“ bezeichnet und ist maßgeblich für die Funktionsweise des Lasers.

Es existieren zwei grundlegende Bedingungen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen, damit ein Laser funktioniert:

  1. Δ N < 0 {\displaystyle \Delta N<0} (Besetzungsinversion) – es müssen sich mehr Teilchen im oberen als im unteren Laserniveau befinden.
  2. Sofern ein Resonator verwendet wird, muss die Verstärkung des Laserlichts durch stimulierte Emission bei einem Durchlauf durch den Resonator größer als seine Verluste durch Absorption, Streuung und Spiegelverluste, insbesondere Auskoppelverluste, sein. Die Resonatorspiegel müssen wenigstens auf einer Seite eine Reflektivität kleiner eins haben, damit Laserlicht den Laser verlassen kann und überhaupt genutzt werden kann. Dieses Auskoppeln eines Teils des Laserlichts wird als Auskoppelverlust bezeichnet, weil dieser Anteil nicht mehr zur weiteren Verstärkung im Lasermedium durch stimulierte Emission beiträgt.

Jeder Übergang zwischen den zwei Niveaus entspricht der Emission oder Absorption eines Photons mit der Kreisfrequenz ω = Δ E / {\displaystyle \omega =\Delta E/\hbar } , wobei Δ E {\displaystyle \Delta E} die Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus und {\displaystyle \hbar } das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum ist. Bei der Emission entsteht solch ein Photon, bei Absorption geht entsprechend ein Photon verloren. Die Wahl des Lasermediums gibt somit die Frequenz bzw. die Farbe des Lichtes vor.

Die mathematische Beschreibung der Besetzung erfolgt über spezielle gekoppelte Differentialgleichungen, sogenannte Ratengleichungen. Diese beschreiben den zeitlichen Verlauf der Besetzungszustände, also die zeitliche Änderung von N 1 {\displaystyle N_{1}} und N 2 {\displaystyle N_{2}} . Die genaue Form der Ratengleichungen hängt davon ab, wie viele Energieniveaus neben den zwei Laserniveaus zur Verfügung stehen und genutzt werden sowie von der Art bestimmter Näherungen.

Zweiniveausystem

Hauptartikel: Zweizustandssystem
Ein Zweiniveausystem

Zwei stabile Energieniveaus reichen nicht für die Konstruktion eines Lasers aus, wie im Folgenden gezeigt wird. Die Betrachtung von Zweiniveausystemen liefert jedoch die Grundlage für Betrachtungen von Lasermedien mit mehr als zwei Energieniveaus, bei denen Laserbetrieb möglich ist. Ein theoretisches Zweiniveausystem würde direkt vom unteren in das obere Laserniveau gepumpt werden. Für ein Zweiniveausystem lauten die Ratengleichungen:

d N 1 d t = B I N 1 + B I N 2 + A N 2 {\displaystyle {\frac {dN_{1}}{dt}}=-BIN_{1}+BIN_{2}+AN_{2}}
d N 2 d t = + B I N 1 B I N 2 A N 2 = d N 1 d t {\displaystyle {\frac {dN_{2}}{dt}}=+BIN_{1}-BIN_{2}-AN_{2}=-{\frac {dN_{1}}{dt}}}

Dabei ist A {\displaystyle A} der Einsteinkoeffizient für die spontane Emission, B {\displaystyle B} der Einsteinkoeffizient für Absorption bzw. stimulierte Emission und I {\displaystyle I} die Intensität des Lichts im Resonator. Die einzelnen Terme stehen jeweils für die Absorption bzw. Emission von Photonen und damit die Änderung der Teilchenzahl in diesem Zustand. Da für den Laserbetrieb die Inversion Δ N {\displaystyle \Delta N} wichtig ist, wird die Differenz dieser zwei Ratengleichungen gebildet, sowie N 1 {\displaystyle N_{1}} und N 2 {\displaystyle N_{2}} durch Δ N = N 1 N 2 {\displaystyle \Delta N=N_{1}-N_{2}} und die Erhaltungsgröße N = N 1 + N 2 {\displaystyle N=N_{1}+N_{2}} ausgedrückt:

d ( N 1 N 2 ) d t = d Δ N d t = 2 B I Δ N + A N A Δ N {\displaystyle {\frac {d(N_{1}-N_{2})}{dt}}={\frac {d\Delta N}{dt}}=-2BI\Delta N+AN-A\Delta N}

Nach einer gewissen Zeit wird sich ein Gleichgewicht in den Besetzungen einstellen, wodurch die zeitliche Änderung der Inversion verschwindend klein wird (Fixpunkt). Um diesen Gleichgewichtspunkt zu finden, setzt man d Δ N d t = 0. {\displaystyle {\tfrac {d\Delta N}{dt}}=0.} Die sich ergebende Gleichung kann dann nach Δ N s {\displaystyle \Delta N^{s}} umgeformt werden:

Δ N s = N 1 + 2 I / I S , {\displaystyle \Delta N^{s}={\frac {N}{1+2I/I_{S}}},}

wobei I S = A / B {\displaystyle I_{S}=A/B} als Sättigungsintensität bezeichnet wird (der Index S {\displaystyle S} steht für „stationär“). Diese Besetzungsinversion ist immer positiv, unabhängig davon, wie groß die Intensität I {\displaystyle I} wird. Das heißt, es sind immer weniger Teilchen im oberen Laserniveau als im unteren. Somit ist eine Besetzungsinversion in einem stabilen Zweiniveausystem nicht möglich. Es ist somit unmöglich, in dieser Weise einen Laser zu konstruieren.

Eine anschauliche Begründung liefern die Einsteinkoeffizienten. Sobald die Hälfte aller Teilchen im Lasermedium im oberen Laserniveau sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom im unteren Laserniveau ein Photon absorbiert, genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom im oberen Laserniveau ein Photon durch stimulierte Emission abgibt. Die zusätzliche spontane Emission sorgt weiterhin dafür, dass nicht einmal diese theoretische Grenze erreicht wird.

Dreiniveausystem

Zusätzlich zu den beiden Niveaus im Zweiniveausystem existiert in einem Dreiniveausystem ein weiteres Energieniveau E 3 {\displaystyle E_{3}} oberhalb des oberen Laserniveaus, so dass gilt E 1 < E 2 < E 3 {\displaystyle E_{1}<E_{2}<E_{3}} . Das Pumpen erfolgt diesmal vom unteren Laserniveau E 1 {\displaystyle E_{1}} in das neue Niveau E 3 {\displaystyle E_{3}} . Für das dritte Niveau wird außerdem die Bedingung aufgestellt, dass es viel schneller in den Zustand E 2 {\displaystyle E_{2}} übergeht als E 2 {\displaystyle E_{2}} nach E 1 {\displaystyle E_{1}} , so dass gilt N 3 0 {\displaystyle N_{3}\approx 0} oder wieder N = N 1 + N 2 + N 3 N 1 + N 2 {\displaystyle N=N_{1}+N_{2}+N_{3}\approx N_{1}+N_{2}} . Dieser schnelle Übergang geschieht entweder strahlungslos oder über spontane Emission. Analog zum Zweiniveausystem werden auch hier wieder Ratengleichungen aufgestellt:

d N 1 d t = B I N 1 + A N 2 {\displaystyle {\frac {dN_{1}}{dt}}=-BIN_{1}+AN_{2}}
d N 2 d t = + B I N 1 A N 2 = d N 1 d t {\displaystyle {\frac {dN_{2}}{dt}}=+BIN_{1}-AN_{2}=-{\frac {dN_{1}}{dt}}}

Im Gegensatz zum Zweiniveausystem fehlt hier die stimulierte Emission durch den Pumpvorgang. Wieder können diese Ratengleichungen durch Differenzbildung, Ausdrücken durch Δ N {\displaystyle \Delta N} und N {\displaystyle N} und anschließender Betrachtung des Gleichgewichtszustandes d Δ N d t = 0 {\displaystyle {\tfrac {d\Delta N}{dt}}=0} zu einer Gleichung für die Besetzung umgeformt werden:

Δ N s = N 1 I / I S 1 + I / I S {\displaystyle \Delta N^{s}=N{\frac {1-I/I_{S}}{1+I/I_{S}}}}

Diese Gleichung wird negativ ( N 1 < N 2 {\displaystyle N_{1}<N_{2}} ), sobald die Bedingung I > I S {\displaystyle I>I_{S}} erfüllt wird. Dies bedeutet, dass sich in einem Dreiniveausystem mehr Teilchen im oberen Laserniveau befinden können und somit Besetzungsinversion möglich ist. Voraussetzung ist eine hohe Intensität des Lichts im Resonator. Dreiniveaulaser sind somit möglich.

Vierniveausystem

Bei einem Vierniveausystem kommt gegenüber dem Dreiniveausystem ein weiteres Energieniveau E 0 {\displaystyle E_{0}} hinzu. Dieses befindet sich unterhalb des unteren Laserniveaus E 1 {\displaystyle E_{1}} , so dass gilt E 0 < E 1 < E 2 < E 3 {\displaystyle E_{0}<E_{1}<E_{2}<E_{3}} . Der Übergang von E 1 {\displaystyle E_{1}} nach E 0 {\displaystyle E_{0}} hat wieder als Bedingung, dass er sehr schnell geschieht. Damit ändert sich die genäherte Bedingung für die Gesamtteilchenzahl zu N N 0 + N 2 {\displaystyle N\approx N_{0}+N_{2}} , und die Gleichung für die Besetzung wird zu Δ N = N 1 N 2 N 2 {\displaystyle \Delta N=N_{1}-N_{2}\approx -N_{2}} . Der Pumpvorgang geschieht hierbei von E 0 {\displaystyle E_{0}} nach E 3 {\displaystyle E_{3}} . Die Ratengleichungen ergeben sich damit zu:

d N 1 d t 0 {\displaystyle {\frac {dN_{1}}{dt}}\approx 0}
d N 2 d t = + B I N 0 A N 2 {\displaystyle {\frac {dN_{2}}{dt}}=+BIN_{0}-AN_{2}}

Auch hier ist es wieder möglich, N 0 {\displaystyle N_{0}} und N 2 {\displaystyle N_{2}} durch N {\displaystyle N} und Δ N {\displaystyle \Delta N} auszudrücken sowie die Gleichgewichtsbedingung anzusetzen und nach Δ N {\displaystyle \Delta N} aufzulösen:

Δ N = N I / I S 1 + I / I S {\displaystyle \Delta N=-N{\frac {I/I_{S}}{1+I/I_{S}}}}

In diesem Fall ist die Besetzung immer negativ. Das bedeutet, dass ein extern angeregtes Vierniveausystem sehr gut als Lasermedium geeignet ist. Praktisch alle modernen Laser werden als Vier- oder Mehrniveausysteme konzipiert.

Laserresonator

Schema eines Laserresonators
Strahlenverlauf im konfokalen Resonator

In einem Laser wird die Strahlung, die anfänglich durch spontane Emission initiiert wurde, durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet geleitet, in dem Besetzungsinversion herrscht. Eine solche Anordnung heißt optischer Resonator oder Laserresonator. Durch das ständige Hin- und Herlaufen kann eine ausreichende Verstärkung zur Überschreitung der Laserschwelle erreicht werden. Die Laserschwelle kann nur überschritten werden, wenn die Verstärkung im Resonator größer ist als der Verlust (z. B. durch spontane Emission, Streuung und ausgekoppelter Leistung). Diese Bedingung stellt neben der Besetzungsinversion die zweite grundlegende Voraussetzung dar, dass ein Laser funktionieren kann.

Ein Laserresonator besteht im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln, zwischen denen die Strahlung reflektiert wird, so dass sich der Weg durch das Lasermedium verlängert. Dadurch kann ein Photon sehr oft stimulierte Emission hervorrufen. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig und wird Auskoppelspiegel oder Auskoppler genannt. Dieser sorgt dafür, dass ein Teil der Strahlung das Gerät als Laserstrahl verlassen kann. Lasermedien mit sehr hoher Verstärkung können unter Umständen auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel arbeiten.

Im Resonator werden nur Frequenzen verstärkt, welche die Resonanzbedingung erfüllen, für die also gilt:

L = n λ 2 ν = n c 2 L {\displaystyle L=n{\frac {\lambda }{2}}\quad \Leftrightarrow \quad \nu =n{\frac {c}{2L}}}

Dabei ist n {\displaystyle n} eine natürliche Zahl und L {\displaystyle L} die Resonatorlänge. Andere Frequenzen werden durch destruktive Interferenz ausgelöscht. Ein anderer Aufbau ist der Ringresonator, bei dem das Licht durch mehrfache Reflexion einen geschlossenen Pfad durchläuft.

Die Güte des Resonators (d. h. das Verhältnis zwischen hin- und herreflektierter Strahlung zu austretender Strahlung) muss bei gering verstärkenden Medien besonders hoch sein. Ein Beispiel hierfür ist der Helium-Neon-Laser. Die Resonatorgüte kann oft mittels in ihm befindlicher optischer Komponenten zeitabhängig, aber auch hinsichtlich der Wellenlänge und des lateralen Strahlprofiles beeinflusst werden, um eine gute Strahlqualität, Frequenzkonstanz und Kohärenz sowie Pulsformung des Laserstrahls zu erzielen. Solche Komponenten sind z. B. Blenden, optische Schalter (Güteschalter) oder frequenzselektive Endspiegel.

Die Resonatorstabilität kann bei einfachen Resonatoren (Spiegel – aktives Medium – Spiegel) mit den sog. g-Faktoren berechnet werden. Sie sind definiert als:

g 1 = 1 L R 1 {\displaystyle g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}}}
g 2 = 1 L R 2 {\displaystyle g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}}

Hierbei sind R 1 {\displaystyle R_{1}} und R 2 {\displaystyle R_{2}} die Krümmungsradien der beiden Resonatorspiegel und L {\displaystyle L} die Gesamtlänge des Resonators. Die Stabilitätsbedingung lautet

0 < g 1 g 2 < 1 {\displaystyle 0<g_{1}g_{2}<1}

Ein paraxialer Strahl verlässt selbst nach beliebig vielen Reflexionen den Resonator nicht. Ist das Ergebnis gerade 0 oder 1, ist der Resonator grenzstabil. Ein Beispiel hierfür ist der konfokale ( g 1 = g 2 = 0 {\displaystyle g_{1}=g_{2}=0} ), hemisphärische ( g 1 = 0 , g 2 = 1 {\displaystyle g_{1}=0,\ g_{2}=1} ), konzentrische ( g 1 = g 2 = 1 {\displaystyle g_{1}=g_{2}=-1} ) oder plan-plan Resonator ( g 1 = g 2 = 1 {\displaystyle g_{1}=g_{2}=1} ), welcher auch als Fabry-Pérot-Resonator bekannt ist. In der Praxis sind diese Art Laser sehr schwierig zu justieren und laufen meistens nur dadurch, dass andere Linseneffekte den Resonator in den Bereich der Stabilität führen. Ein solcher Effekt kann beispielsweise ein thermischer Linseneffekt sein, bei dem durch einen Temperaturgradienten im Resonator eine thermische Linse entsteht. Stabile Resonatoren beeinflussen die Strahlqualität und die Kohärenzeigenschaften des Laserstrahls positiv. Der Nachteil ist die schlechte Ausnutzung des Lasermediums, da der Lichtstrahl immer wieder auf dieselben Teilchen trifft, anstatt neue Teilchen anzuregen.

Bei instabilen Resonatoren gilt g 1 g 2 > 1 {\displaystyle g_{1}g_{2}>1} oder g 1 g 2 < 0 {\displaystyle g_{1}g_{2}<0} . Für diese sind die Beugungsverluste sehr hoch, jedoch können durch ein Lasermedium mit großem Durchmesser instabile Resonatoren vorteilhaft genutzt werden, da diese eine gleichförmige Intensitätsverteilung im Resonator erzeugen. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine hohe Verstärkung des Lasermediums. Instabile Resonatoren werden daher meistens in Lasern verwendet, die eine hohe Verstärkung pro Resonatorumlauf besitzen und bei denen vorrangig hohe Ausgangsleistung und weniger die Strahlqualität maßgebend sind. Von besonderer Bedeutung ist der asymmetrische konfokale instabile Resonator, da dieser einen parallelen Ausgangsstrahl liefert.

Da bei der Erzeugung von Laserstrahlung ein nicht unerheblicher Teil der aufgewendeten Energie in Wärme umgewandelt wird, ist bei der Konstruktion von Laserresonatoren, gerade im Hochleistungsbereich, auch stets auf eine effiziente Kühlung des Laseraktivenmediums zu achten. Hierbei spielen auch durch einen Temperaturgradienten im Laseraktivenmedium verursachte optische Effekte eine große Rolle, wodurch die Fokuslage innerhalb des Resonators von dessen Temperatur abhängt. Bei Gaslasern kann eine effiziente Kühlung beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das verwendete Gas ständig umgewälzt wird, um es außerhalb des eigentlichen Lasers zu kühlen.

Longitudinale Moden

Mögliche Wellenlängen zwischen den Resonatorspiegeln. Darstellung: Amplitude als Funktion des Abstandes von den Spiegeln
Longitudinale Lasermoden bei gaußförmigem Verstärkungsprofil in einem Resonator. Darstellung: Amplitude als Funktion der Frequenz

Unterschiedliche Schwingungsformen werden Moden genannt. Als longitudinal bezeichnet man die Schwingung längs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Bildlich ausgedrückt handelt es sich dabei um Intensitätsberge und -täler im Abstand einer halben Wellenlänge. Bei einem He-Ne-Laser von einigen Zentimetern Länge könnte man zwischen den Spiegeln etwa 600.000 Intensitätsberge zählen, bei einer kurzen Laserdiode nur einige Tausend.

Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte Wellenlängen und deren Vielfache besonders verstärkt, weil sich nur für bestimmte Wellenlängen eine stehende Welle zwischen den Spiegeln ergibt.

Das Bild zeigt die Intensitätsverteilung rund um die Grundmode (angegeben als mittlere Intensität in Abhängigkeit von der Frequenz ν 0 {\displaystyle \nu _{0}} ).

Für die möglichen Lichtfrequenzen in einem Laserresonator gilt der Zusammenhang:

ν ( N ) = N c 2 L {\displaystyle \nu (N)=N\cdot {\frac {c}{2L}}} ,

ν ( N ) {\displaystyle \nu (N)} ist dabei die zulässige Frequenz der N {\displaystyle N} -ten Mode, c {\displaystyle c} die Lichtgeschwindigkeit und L {\displaystyle L} die Resonatorlänge (Abstand zwischen den Resonatorspiegeln). In dieser Formel kann man die Frequenz durch den gebräuchlicheren Begriff Wellenlänge ersetzen und erhält für die möglichen Wellenlängen λ {\displaystyle \lambda } in einem Resonator:

2 L = N λ {\displaystyle 2L=N\cdot \lambda }

Ein optischer Resonator wirkt also wie ein Kammfilter, das bestimmte aufeinanderfolgende Frequenzen verstärkt oder abschwächt.

Durch gaußförmige Dopplerverbreiterung der an sich scharfen Emissionslinie entsteht die gaußförmige Einhüllende über eine gewisse Anzahl von „Kammzinken“. Auf Grund obiger Resonatoreigenschaft (und der wieder anschließenden Dopplerverbreiterung) werden mehrere Teillinien der Emissionslinie des aktiven Mediums im Resonator verstärkt. Die einzelnen im Resonator verstärkten Teillinien haben ein Lorentzprofil mit sehr geringen Linienbreiten wegen der großen Länge der Wellenzüge im Resonator, und weil bei der Resonanz Störeffekte wie der Doppler-Effekt in den Hintergrund treten. Somit erhält man das nebenstehende Spektrum mit mehreren Lorentz-Kurven (den sogenannten Lasermoden) mit einer gaußförmigen Einhüllenden. Da jedoch eine Mindestintensität nötig ist, damit im Resonator noch eine Verstärkung stattfinden kann, erhält man nur eine begrenzte Anzahl Moden, da Moden, die zu weit vom Linienschwerpunkt entfernt sind, zu wenig intensiv sind, um noch verstärkt zu werden.

Der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden ist:

Δ ν = c 2 L {\displaystyle \Delta \nu ={\frac {c}{2L}}}
Nach vier Reflexionen erreicht der Lichtstrahl den Startpunkt

Es kann sich auch ein Zustand einstellen, bei dem der Strahl zweimal durch den Resonator hin- und herlaufen muss, um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen. Dadurch wird die effektive Resonatorlänge verdoppelt, und die Modenabstände werden auf Δ ν = c 4 L {\displaystyle \Delta \nu ={\frac {c}{4L}}} halbiert.

Die Halbwertsbreite Δ {\displaystyle \Delta } der Maxima ist

Δ = F S R F {\displaystyle \Delta ={\frac {\mathrm {FSR} }{\mathcal {F}}}}

Der dabei auftretende Faktor F {\displaystyle {\mathcal {F}}} wird als Finesse bezeichnet und ist die entscheidende Kennzahl für Resonatoren, die das spektrale Auflösungsvermögen angibt. F S R {\displaystyle \mathrm {FSR} } gibt den freien Spektralbereich des Resonators an. Die Finesse hängt bei Vernachlässigung der Verluste im Resonator nur vom Reflexionsfaktor R {\displaystyle R} der Spiegel ab:

F = π R 1 R {\displaystyle {\mathcal {F}}={\frac {\pi {\sqrt {R}}}{1-R}}}

Je nach verwendeten Spiegeln kann die Finesse Werte von etwa 10 bis zu mehreren 100.000 annehmen.

In vielen Anwendungen sind mehrere longitudinale Moden unerwünscht. Eine Verkürzung der Resonatorlänge, um nur eine Mode zu erzeugen, ergibt aber meist keinen Sinn, da dadurch nicht die gewünschte Lichtleistung erzielt werden kann. Man behilft sich, indem im Resonator ein sogenanntes Etalon eingebracht wird. Das Etalon stellt im Prinzip einen „Resonator im Resonator“ dar, welcher nur Wellen der gewünschten Mode verstärkt, andere Moden aber unterdrückt. Man spricht in diesem Fall von Monomode- oder Singlemode-Lasern (im Gegensatz zu Multimode-Lasern).

Transversale Moden

Feldstärke und Intensität eines Laserstrahls in der TEM00-Mode
TEM-Profile bei zylindrischen Resonatoren
Verschiedene Intensitätsprofile für einen Resonator mit rechteckigen Spiegeln (TEMxy)

Als transversale Moden bezeichnet man die Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bildet sich also eine Mode aus, die nicht den Raum senkrecht zu den Resonatorspiegeln ausfüllt, sondern etwas schräg verläuft, so wird der Licht- und Resonatorweg länger, und die Frequenz verschiebt sich etwas. Dieses führt einerseits zum Konkurrieren um angeregte Mediumsmoleküle zwischen den verschiedenen Frequenzen (Mode Competition), andererseits können sich so stehende Wellen ausbilden, die Knotenlinien innerhalb des Laserprofils aufweisen. Ob und wie sie in einem Laserstrahl vorkommen, lässt sich durch optische Bauelemente wie Polarisationsfilter oder diffraktive optische Elemente bestimmen.

Die Art der transversalen Moden hängt von der Konstruktion des Lasers ab:

  • Bei Verwendung ebener Reflektoren treten TEM-Moden auf, das heißt, in Ausbreitungsrichtung besitzt die elektromagnetische Welle keine elektrischen oder magnetischen Komponenten. Das trifft auch für die Lichtausbreitung im Freiraum zu.
  • Die Mehrzahl der Laser verwendet gekrümmte Spiegel, dann treten fast immer Hybrid-Moden auf, die auch in Ausbreitungsrichtung elektrische und magnetische Komponenten besitzen.

(In Hohlleitern mit metallischer Hülle beobachtet man auch reine TE- bzw. TM-Moden, weil in der Hüllfläche elektrische Ströme fließen können.)

Bei zylindrischem Querschnitt des Lasers hat die Strahlintensität im Idealfall ein Gauß-Profil; diese Mode wird als TEM00-Mode bezeichnet (siehe auch: Moden#Weitere akustische Moden). Es können aber auch andere Profile mit Winkel- und radialen Abhängigkeiten auftreten, die sich durch Laguerre-Polynome berechnen lassen. Ist diese Zylindersymmetrie durch Polarisationsfilter oder Brewster-Fenster gestört, treten rechteckige Symmetrien auf, die durch Hermitesche Polynome berechnet werden. Abhängig von der Anzahl ihrer Knotenlinien in horizontale und vertikale Richtung werden sie als TEMxy-Mode bezeichnet. Für diese Moden ist teilweise der Lichtweg durch den Resonator bis zum Ausgangspunkt anders, das heißt, die Resonatorlänge erscheint verändert. Dies kann zu einer Verfälschung der Longitudinalmodenspektren führen, indem sich die Spektren verschiedener Transversalmoden überlagern.

Charakteristische Eigenschaften eines Laserstrahls eines Impuls­lasers (Messungen vom PHELIX-Hochenergielaser am GSI in Darmstadt):
1. Nahfeld mit Füllfaktor und Energiedichte,
2. Strahlqualität im Fernfeld,
3. Pulsdauer und spektrale Breite (Linienbreite)

Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser-Resonators bestimmt, insbesondere spielen dabei die Geometrie des aktiven Mediums und die Spiegelanordnung eine wichtige Rolle. Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. zu manipulieren (Brillanz, Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase, Zeit). Eine allgemeine Aussage über die Strahleigenschaften ist daher nicht möglich. Es ist auch nicht richtig, dass ein Laserstrahl immer ein enggebündelter Strahl mit geringer Frequenzbreite sein muss, wofür er allerdings oft gehalten wird. Je nach Zielsetzung ist eine Erzeugung derartiger Strahlen aber durchaus möglich. Eine herausragende, allgemeine Eigenschaft stellt jedoch die Möglichkeit zur starken Bündelung dar, mit der sehr hohe Leistungsdichten erzielt werden können. Die laterale Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlen ist bei guter Strahlqualität ein Gaußprofil (Gauß-Strahl).

Generell kann man zu den Strahleigenschaften sagen, dass Laserstrahlen sich gegenüber gewöhnlichen Lichtquellen durch viele Unterschiede auszeichnen, die im Folgenden genannt werden.

Kohärenz

Hauptartikel: Kohärenz

Bei einer normalen Glühlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet, sondern auch in unbestimmter Phasenlage zueinander. Bei einem Laser dagegen sind die Wellen jeweils fast phasensynchron zueinander. Die Wellen sind über mehr oder weniger lange Strecken (Kohärenzlänge) fast phasengleich, was man sich zum Beispiel in der Holografie zunutze macht.

Polarisation

Hauptartikel: Polarisation

Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (schräge Umlenkspiegel und Brewster-Fenster, geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meistens linear. Oft ist das erwünscht, um polarisationsabhängige Kopplung und Strahlteilung durchführen zu können. Beim Schneiden von Metallen tritt jedoch insbesondere bei der linear polarisierten CO2-Laserstrahlung im Schneidspalt eine polarisationsabhängige Absorption auf, was eine schlechte und richtungsabhängige Schnittkantenqualität zur Folge hat. Daher wird beim Metallschneiden mit zirkularer Polarisation gearbeitet, die durch phasendrehende Verzögerungsplatten im Strahlengang des Laserstrahls erzielt wird.

Frequenz, Wellenlänge

Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das aktive Medium und dessen zum Lasern geeignete Energieübergänge bestimmt. Es gibt Stoffe, die auf vielen Wellenlängen zum Lasern angeregt werden können – jedoch meistens bei einer Wellenlänge besonders gut. Laser können sehr schmalbandige Strahlquellen sein, die Verstärkungsbandbreite (beim Kohlenstoffdioxidlaser zum Beispiel 9 bis 11 µm) ist jedoch meist höher als die Bandbreite der abgegebenen Strahlung – entweder schwingt der Laser von selbst im Maximum der Verstärkungsbandbreite (beim Kohlendioxidlaser zum Beispiel 10,6 µm) an oder man sorgt durch frequenzbestimmende Elemente für eine schmalbandige Emission auf einer einzigen Frequenz. Extreme Schmalbandigkeit ist z. B. bei der interferometrischen Längenmessung mittels Lasern von Bedeutung. Bei extremer Breitbandigkeit spricht man von Superkontinuum-Lasern, welche z. B. in der optischen Kohärenztomographie und zur Erzeugung von Frequenzkämmen eingesetzt werden. Die minimal erreichbare Bandbreite wird durch die fundamentale Laser-Linienbreite beschrieben. Das Schawlow-Townes-Limit ist eine vierfache Näherung dieser fundamentalen Laser-Linienbreite.

Dauerstrich

Ein Dauerstrichlaser ist ein Laser, der im Gegensatz zu Pulslasern eine Lichtwelle konstanter Intensität abstrahlt.

Laserstrahlung von Dauerstrichlasern (englischcontinuous-wave laser, cw-laser) ist im Idealfall schmalbandig (monochrom, einfarbig), d. h., sie besteht nur aus Strahlung einer Wellenlänge. Insbesondere ist Dauerstrich-Laserstrahlung aus stabilen Laserresonatoren aufgrund des Vielfachumlaufes zeitlich bzw. longitudinal (entlang seiner Ausbreitungsrichtung) kohärent, was bedeutet, dass die ausgesandten Wellenzüge nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch in der Phase über eine lange Strecke (die Kohärenzlänge) konstant sind. Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgeprägte Interferenzerscheinungen.

Während des Einschwingvorgangs des Dauerstrich-Lasers tritt zunächst oft Spiking auf, eine unregelmäßige Abgabe von Laserpulsen. Dieses Verhalten nutzt ein modengekoppelter Laser gezielt aus, indem er die Spikes z. B. triggert oder synchronisiert.

Pulse

Hauptartikel: Pulslaser

Im Gegensatz zum Dauerstrichlaser erzeugt ein gepulster Laser pulsierende Strahlung. Pulse können durch gepulste Anregung oder auch durch Maßnahmen im Laser selbst (Güteschaltung) erzeugt werden. Bei sehr kurzen Pulsen benötigt das aktive Medium prinzipiell eine größere Verstärkungsbandbreite, innerhalb derer die beteiligten Frequenzen gekoppelt sind (Modenkopplung) und sich zu einem Impuls zusammensetzen. Je kürzer die Pulsdauer, desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fourier-Analyse das erzeugte Spektrum und umso breiter muss das Frequenzband sein, innerhalb dessen das aktive Medium verstärken kann. Die geringsten erzielbaren Pulsdauern liegen in der Größenordnung von Femto- und Attosekunden (→ Femtosekundenlaser).

Laser können sich auch selbst zur Abgabe einer Pulsfolge synchronisieren, wenn im Resonator zum Beispiel ein nichtlinearer (sättigbarer) Absorber vorhanden ist. Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse in einem solchen Laser erzeugt werden, hängt u. a. bei der instantanen Kerr-Linsen-Modenkopplung (englischKerr lens mode locking, ein Verfahren zur Erzeugung einer stabilen Pulsfolge von Pulsen geringer Dauer) von der Resonatorlänge ab: Bei einem Resonator mit einer Länge von einem halben Meter beträgt diese etwa 300 MHz – die Periodendauer entspricht einem Hin- und Herlaufen (Umlauf) des Pulses im Resonator. Die Spitzenleistung wird bei jedem Umlauf größer, die Pulsdauer bleibt von allein sehr gering. Aus solchen Pulslasern werden zum Beispiel einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstärkt. Mit weiteren Maßnahmen gelingt es, Spitzenleistungen bis in den Petawatt-Bereich zu erzeugen, die nur im Vakuum ungestört übertragen und fokussiert werden können. Luft wird von der hohen elektrischen Feldstärke des Lichts ionisiert.

Die Gütemodulation (Q-switching) des Resonators mit akustooptischen Güteschaltern oder Pockelszellen sind weitere Techniken zur Erzeugung energiereicher Laserpulse mit geringer Dauer: Dabei wird die stimulierte Emission zunächst unterbunden, um sie dann bei inzwischen durch das Pumpen gestiegener Besetzungsinversion (hohe, im aktiven Medium gespeicherte Energie) schlagartig zu ermöglichen.

Hauptartikel: Liste der Lasertypen
Übersicht über Wellenlängen von im Handel erhältlichen Lasern. Lasertypen mit diskreten Laserlinien sind oberhalb der Leiste der Wellenlängen eingetragen. Die Farbe gibt die Art des Lasermaterials an.

Laser werden oftmals anhand der Eigenschaften des eingesetzten optischen Lasermediums kategorisiert und benannt. Die gröbste Einteilung erfolgt dabei anhand des Aggregatzustandes.

Wichtige Gaslaser sind beispielsweise der bei 632,8 nm emittierende Helium-Neon-Laser und der bei 10,6 μm emittierende Kohlendioxidlaser. Spezielle Klassen der Gaslaser sind Excimerlaser, bei denen das Lasermedium ein Excimer-Molekül ist, und Metalldampflaser, bei denen das gasförmige Lasermedium zuerst durch Verdampfen von Metall gewonnen werden muss.

Laser mit flüssigem Lasermedium werden als Farbstofflaser bezeichnet. Diese Laser kennzeichnen sich durch eine sehr große, kontinuierliche und abstimmbare Bandbreite an Wellenlängen. Bei den eingesetzten Farbstoffen handelt es sich in vielen Fällen um Stilbene, Cumarine und Rhodamine.

Die Gruppe der Festkörperlaser beinhaltet Laser, deren Lasermedium Kristalle sind. Dabei kann es sich unter anderem um dotiertes Glas, Yttrium-Aluminium-Granat und andere Wirtskristalle oder Halbleiter handeln. Wichtige Beispiele sind der Nd:YAG-Laser, die Laserdiode und der Titan:Saphir-Laser. Häufig verwendete Dotanden sind Titan, Chrom und Neodym. Für die Form der Festkörper existieren viele Möglichkeiten, wie z. B. der Stablaser, Slablaser, Faserlaser und der Scheibenlaser. Eine besondere Form der Festkörperlaser sind die Farbzentrenlaser, die ähnlich funktionieren, aber Farbzentren zur Erzeugung der Laserübergänge nutzen.

Eine besondere Form ist der Freie-Elektronen-Laser (FEL). Er ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die gerichtete Strahlung im Mikrowellenbereich bis in den Röntgenbereich emittiert. Ein FEL ist allerdings kein Laser im eigentlichen Sinne, da die Strahlung nicht durch stimulierte Emission in einem Lasermedium erzeugt wird.

Eine Laserharfe
Laserbeschriftetes Schaltkreis-Gehäuse aus Keramik; Zeichenhöhe ca. 1,34 mm

Laser werden in sehr vielen Lebens- und Arbeitsbereichen, Forschungs- und Industriezweigen und medizinischen Aufgabenfeldern verwendet. Folgende Abschnitte geben einen groben Überblick über die wichtigsten Einsatzgebiete der Lasertechnik.

Alltag und Unterhaltung

Laser haben Einzug in vielen Bereichen des täglichen Lebens gefunden. In jedem Laserdrucker und allen optischen Laufwerken, wie beispielsweise CD-, DVD- und Blu-ray-Disc-Spieler, befinden sich Laserdioden.

Laserpointer enthalten schwache Laser mit sichtbaren Wellenlängen. In Diskotheken und Lasershows werden Laser mit bis zu mehreren Watt Ausgangsleistung zu Lichteffekten eingesetzt. Bei der sogenannten Laserharfe wird ein aufgefächerter Laserstrahl als Eingabegerät zum Ansteuern von Musikinstrumenten benutzt. In Planetarien werden Laser vereinzelt als Projektoren eingesetzt. Eine Variante ist der „All Dome Laser Image Projector“, wie er zum Beispiel im Planetarium Jena verwendet wird. In Barcodelesegeräten werden teilweise Laser zum Abtasten der Strichcodes verwendet.

Datengewinnung und -übertragung

Ein bedeutendes Einsatzgebiet von Diodenlasern und Faserlasern ist die Datenübertragung mittels Lichtwellenleitern. Der optische Richtfunk ist zwar möglich, aber wegen der Störanfälligkeit wenig verbreitet. Die Datenübertragung zwischen Satelliten oder Raumfahrzeugen mittels Laser ermöglicht aufgrund der höheren Frequenz eine weit höhere Datenrate als die bisher üblichen Radiowellen. Insbesondere als Relais wurde die Technik bisher eingesetzt, beispielsweise von Artemis. Die Kommunikation zur Erde mit Laser ist durch die Atmosphäre behindert. Die zugehörige Technologie befindet sich noch in der Erprobungsphase, könnte aber in Zukunft eine größere Rolle spielen.

Weitere Anwendungen sind die Holografie und das Laserscanning zur Objektvermessung oder in Nivelliergeräten.

Industrie und Materialbearbeitung

In der Industrie und der Fertigungstechnik werden Laser für verschiedene Fertigungsverfahren (DIN 8580) eingesetzt. Sie werden hierzu an einer Laserbearbeitungsmaschine oder einem Laserscanner betrieben. Laser eignen sich zum Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Ändern von Stoffeigenschaften verschiedener Materialien, wie Holz, Kunststoff, Papier und Metallen.

Zu den wichtigsten Verfahren gehören das Lasersintern, die Stereolithografie, das Laserstrahlbiegen und laserunterstützte Biegen, das Laserschneiden und -bohren, die Laserablation, das Lasertrimmen, Laserstrahlschweißen, -auftragschweißen und -löten, die Laserbeschriftung, das Laserspritzen und Laserstrahlverdampfen, das Laserpolieren.

Weiterhin können mit Lasern Strukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich auf fotosensitive Materialien geschrieben werden. Mittels mikrofotolithografischer Systeme werden im Direktschreibverfahren hochaufgelöste Vorlagen (Masken) für verschiedene Anwendungen erzeugt, die z. B. mittels breitbandiger Hochleistungslaser in der Produktion auf die endgültigen Materialien umkopiert werden. Andere Anwendungen schließen das Direktschreiben von Strukturen auf Silizium-Wafern in niedrigen Stückzahlen oder das Schreiben von Strukturen auf fotoempfindlichen Filmen (z. B. Dehnungssensoren) ein. Auf diese Weise lassen sich Bildschirmmasken, Leiterplatten, integrierte Schaltkreise und Sensoren herstellen.

Medizin

In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsächlich in der Diagnose eingesetzt, z. B. bei der Messung von Blutstrom (Flowmetrie) und -zirkulation. Es existieren auch Low-Level-Lasertherapiegeräte zur Wund- und Schmerzbehandlung.

In der Augenheilkunde wird Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt, wobei Wellenlänge, Einwirkzeit (Expositionszeit) und Energie die physikalische Reaktion und Eindringtiefe beeinflussen. Der Argon-Laser wird genutzt, um mit seinen thermischen Effekten Koagulation (z. B. bei diabetischer Retinopathie, Thrombosen) deren Gefäßneubildungen zu verhindern oder Retinopexie (Verschweißung von Gewebeschichten bei Netzhautloch oder Netzhautablösung) durchzuführen. Der Neodym-YAG Laser und femto-LASER verursacht durch den hervorgerufenen hochenergetischen ultrakurzen Suprapuls eine präzise eng umschriebene Gewebezerreißung (Photodisruption) und der Excimer-Laser durch das ihm eigene Phänomen der Gewebeverdunstung (Photoablation/Sublimation) eine Umgestaltung der Hornhaut-Oberfläche (z. B. PRK oder LASIK) zur Beseitigung der Fehlsichtigkeit. Die Femtosekundenlaser-Kataraktoperation ist eine neue Methode in der Chirurgie des Grauen Stars (Katarakt), die bei einigen wichtigen Schritten während dieses Eingriffs von besonders hoher Präzision ist. Darüber hinaus sind mit dem Laser dreidimensionale bildgebende Verfahren möglich wie optische Coherenz-Tomographie (OCT) oder online-Pachymetrie, optische Pfadmessung und Fotodokumentation aller Augenstrukturen mit einer Auflösung im Mikrometerbereich.

In der Chirurgie, Gefäßchirurgie und Phlebologie wird der Laser hauptsächlich im Bereich Endoskopie oder als Laserskalpell eingesetzt. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung von defekten Venen (Krampfadern). Hierbei kann der Laser endovenös (Laser-Lichtleiter wird in die Vene eingebracht) angewendet werden. Dieses Laser-Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch „Stripping“. Die Laser-Behandlung ist in vielen Fällen schonender und ambulant durchführbar.

In der Dermatologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen. Blutgefäße können durch Laser bestimmter Wellenlängen koaguliert werden. Pigmentflecken können mit Hilfe ablatierender (= schälender) Laser abgetragen oder selektiv zerstört werden. Subkutanes (= unter der Haut gelegenes) Pigment kann mit Hilfe eines ultrakurz gepulsten Lasers zerstört und damit entfernt werden, ohne die Hautoberfläche stark zu verletzen. Durch Verwendung von langgepulsten Lasern können Haarwurzeln durch Epilation dauerhaft zerstört werden. Laser werden auch zur gezielten Behandlung entzündlicher Hauterkrankungen, vorrangig der Psoriasis (Schuppenflechte), eingesetzt. Oberflächliche Unebenheiten der Haut (Knötchen, Fältchen) werden mit zur kosmetischen Verbesserung des Hautbildes geglättet (Resurfacing). Durch Laserlicht können auch selektiv dermale Anteile erwärmt werden, was in erster Linie dem Kollagenaufbau zur Straffung der Haut dienen soll („Subsurfacing“).

In der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde werden Laser zur Abtragung von Veränderungen an den Stimmbändern bei der Mikrolaryngoskopie verwendet, außerdem zur Teilabtragung der Mandeln (Tonsillotomie) und von Tumoren in Mund und Rachen (z. B. beim Zungenkarzinom). Bei der Operation wegen Otosklerose werden Laser zur Perforation der Steigbügel-Fußplatte verwendet.

In der Zahnmedizin können Laser für den Abtrag von Zahnhartsubstanz („Bohren ohne Bohrer“) oder in der Parodontologie (Keimreduktion und Konkremententfernung in entzündeten Zahnfleischtaschen) verwendet werden. Diodenlaser werden in der Zahnmedizin für chirurgische Eingriffe, z. B. Lippenbändchenentfernung, für die Keimreduktion in der Endodontie (Wurzelkanalbehandlung) oder für die Zahnaufhellung (Bleaching) verwendet. Vorteile der Laserbehandlung gegenüber der konventionellen Methode sind, dass der Patient weniger Schmerzen hat, die Setzung von Nähten teilweise überflüssig wird, es weniger blutet, da die Wunde verödet ist und die behandelte Stelle gleichzeitig dekontaminiert (keimfrei) wird. Zum Teil sind allerdings bessere Studien mit einem höheren Evidenzgrad erforderlich, um den Nutzen des Lasers einzuschätzen.

In der Krebstherapie wird er für die photodynamische Therapie eingesetzt; in der Urologie zur Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen und der Prostata. Die Lasermikrodissektion ist ein Verfahren zur Gewinnung von kleinsten Proben aus Gewebsschnitten oder Zellkulturen.

Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen u. a. die Versuche, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen.

Die Sicherheitsbestimmungen für medizinisch genutzte Laser werden in der EN 60601-2-22 behandelt.

Mess- und Steuerungstechnik

Eine Reihe von präzisen Messgeräten für Entfernungen und andere Größen funktionieren mit Lasern. Sie werden beispielsweise beim Tunnelbau, im Bauwesen und zur Vermessung der Maschinengeometrie bei Werkzeugmaschinen und Anlagen verwendet.

Weitere Messgeräte, die auf Lasern beruhen, sind Kohärenzradar, optische Abstandsmessungen per Light detection and ranging (Lidar) und Laserpistolen, lasergestützte Brandmelder, elektronische Specklemuster-Interferometrie (ESPI) zur Formerfassung, Lasermikrofone, Laserextensometer, Laser-Doppler-Anemometrie und Particle Image Velocimetry zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, Laser-Doppler-Vibrometer zur berührungsfreien Schwingungsmessung, Laser surface velocimeter, Laser-Wolkenhöhenmesser in der Meteorologie und Laserkreisel.

Energietechnik

Laser können zur Uran-Anreicherung zwecks Gewinnung von Kernbrennstoff verwendet werden.

Militär

Beim Militär und in der Rüstungsindustrie werden Laser wie im Alltag zur Kommunikation und zu Messzwecken eingesetzt, aber zusätzlich auch als Waffen oder waffenunterstützende Technik verwendet. Dazu zählen Zielhilfen für lasergelenkte Bomben und Raketen sowie zur Erzeugung von Zielmarkierungen an Handfeuerwaffen (beispielsweise an der AM180), „Lasergewehre“ zum vorübergehenden Blenden und Hochenergielaser zur Raketenabwehr (Laserkanonen) (siehe auch Energiewaffe und Weltraumwaffe).

Hochleistungs-Laseranlagen im Wellenlängenbereich um 1 Mikrometer dienen als „Treiber“ in Anlagen zur Trägheitsfusion wie beispielsweise der National Ignition Facility.

2014 wurde von der US Navy die erste Laserwaffe (englischLaser Weapon System, kurz LaWS) auf der USS Ponce in Betrieb genommen. In veröffentlichten Videos wird die Waffe an unbemannten Flugobjekten und Schlauchbooten getestet, die nach kurzer Zeit anfangen zu brennen. 2018 wurde die russische Laserwaffe Pereswet in Dienst gestellt, die Drohnen, Flugzeuge und Raketen bekämpfen soll.

Wissenschaft und Forschung

In der modernen Forschung der Physik, Chemie und Biologie und ihrer jeweiligen Teilgebiete sind Laser eines der wichtigsten Hilfsmittel. In der Laserspektroskopie werden Laser zur Laserkühlung und Bestimmung von Energieniveaus in Atomen und Molekülen, zur Dichtemessung in Gasen und Plasmen oder zur Bestimmung von Materialeigenschaften eingesetzt. Spezielle laserspektroskopische Verfahren sind beispielsweise die Atomspektroskopie, die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy die Raman-Spektroskopie und die nichtlineare Raman-Spektroskopie. Effekte, wie sie die nichtlineare Optik vorhersagt, können nur mit Lasern erzielt werden. Isotopentrennungen, wie AVLIS und MLIS, sind ebenfalls nur mit Lasern möglich.

In der Geodäsie dienen Laser zur Vermessung der Erde und der Plattentektonik, beispielsweise mittels Tachymeter, Lasertracker, Kanallaser, Satellite Laser Ranging und LaserDisto.

Die optische Pinzette und das Zwei-Photonen-Mikroskop sind Anwendungen der Zellforschung.

In der Astronomie werden Laser zur genauen Justierung optischer Bauteile und Instrumente sowie zur Beobachtung von Raumobjekten eingesetzt. Dazu zählen Laserteleskope, Laser-Theodoliten und -Zielfernrohre sowie die Vermessung der Mondbewegung mittels Lunar Laser Ranging.

In der superauflösenden Mikroskopie mit dem STED-Mikroskop, für die Stefan Hell im Jahr 2014 (mit anderen) den Nobelpreis für Chemie erhielt, werden zwei konfokale Laserstrahlen eingesetzt, um Bereiche von nur wenigen Atom-Durchmessern abrastern zu können.

Homogenisierung

In manchen Anwendungen ist ein räumlich homogenes Profil nötig. Der Laserstrahl kann dann homogenisiert werden, zum Zwecke der Schaffung einer möglichst ebenmäßigen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung über den gesamten Bearbeitungsfleck. Ein anfänglich zum Beispiel vorliegendes Gauß-Profil der Intensitätsverteilung soll dabei in ein fast-Rechteckprofil mit möglichst geringer Inhomogenität überführt werden. Häufiger möchte man jedoch unregelmäßige und instabile Strahlprofile homogenisieren. Das Ziel ist die gleichmäßige Ausleuchtung einer Fläche zum Beispiel zur Wärmebehandlung.

Gefahren für die Gesundheit

Warnzeichen vor Laserstrahlen nach DIN EN ISO 7010

Laser können aufgrund der Eigenschaften ihrer Strahlung und aufgrund ihrer z. T. extrem konzentrierten elektromagnetischen Leistung biologische Schäden verursachen. Daher sind Laser je nach Laserklasse mit genormten Warnhinweisen zu versehen. Dabei werden Bereiche der Wellenlängen und Einwirkzeiten unterschieden, die zu charakteristischen Verletzungen und Verletzungs-Schwellwerten der Leistungs- oder Energiedichte führen.

Anwender und Anlagenbauer müssen direkte, indirekte (unbeabsichtigt gerichtet reflektierte) und Streustrahlung (unbeabsichtigt diffus reflektierte) hinsichtlich dieser Grenzwerte berücksichtigen.

Mögliche Schäden:

  • Bei der medizinischen Anwendung von Lasern kann es zur Entzündung vorhandener oder gebildeter Gase kommen.
  • Laser im Ultraviolettbereich verursachen neben den genannten Schäden auch fotochemische Veränderungen des Gewebes. Dazu gehören Erscheinungen ähnlich einem Sonnenbrand mit dem Risiko einer Krebsentstehung sowie Trübungen der Hornhaut, der Augenlinse und des Glaskörpers.
  • Bei der Lasermaterialbearbeitung entstehen durch Pyrolyse und Verdampfung teilweise hochgiftige Gase, Stäube und Aerosole, die abgesaugt und gefiltert werden müssen.
  • Laserstrahlen im Nahinfrarot-Bereich (um 1000 nm) oder deren Streustrahlung dringen tief unter die Haut vor und können im Unterhautgewebe schmerzlose, schlecht heilende Verbrennungen verursachen.
  • Verbrennungen im Auge: Bereits bei relativ geringen Leistungen (wenige Milliwatt) einer Wellenlänge, für die das Auge transparent ist (etwa 350 bis 1200 nm) treten im ungeschützten Auge partielle Erblindungen durch Netzhautschäden auf, da der parallele Laserstrahl durch die Augenlinse auf der Netzhaut fokussiert wird. Auch Streustrahlung stärkerer Laser dieses Wellenlängenbereiches ist gefährlich. Schäden werden oft nicht bemerkt, sondern erst vom Augenarzt entdeckt.
  • Verbrennung von Auge und Haut: Treffen Laserstrahlen oder deren Streustrahlung einer Wellenlänge, für die Haut und Hornhaut nicht transparent sind (ab etwa >1400 nm), auf, kommt es bei entsprechender Leistungsdichte zu oberflächlichen Verbrennungen oder Verkohlungen.

Die Gefährdung durch Laserstrahlung an Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung wird oft nach der Maschinenrichtlinie beurteilt und ergibt auf dem Risikograph meistens die bisherige Kategorie 4 beziehungsweise die Sicherheitsanforderungsstufe 3 (auch Sicherheits-Integritätslevel 3, kurz SIL-3).

Sachschäden

Laserstrahlen können bei ausreichender Leistung oder Fokussierung Brände und Explosionen auslösen. Hochbrillante Laser zur Materialbearbeitung können bei Versagen der Steuerung (zum Beispiel eines Roboters) auch an weit außerhalb ihrer Fokusebene liegenden Bauteilen oder Wandungen Schäden verursachen.

Gefahren-Prävention

Jede Einrichtung in Deutschland, die Laser ab der Klasse 3R benutzt, muss eine unterwiesene Person, einen Laserschutzbeauftragten, benennen, der/die die Gefahren und die sichere Verwendung von Lasern kennt und überwacht.

Die vollständige Abschirmung der Strahlung der Laser mittels einer Umhausung der Maschine oder des Experimentes ist oft nicht möglich. Zugangstüren müssen daher elektrisch überwacht oder zugehalten werden, solange der Laser gefährliche Strahlung abgeben kann. Auch Lichtgitter können zur Absperrung angewendet werden, wenn die Streustrahlung ausreichend gering ist.

Beobachtungsfenster und Schutzbrillen erlauben bei geringer Streustrahlung oft eine Beobachtung, während der Laser eingeschaltet ist, und bestehen aus Filtermaterialien, die für sichtbare Wellenlängen zumindest teilweise transparent, für die spezielle Laserwellenlänge jedoch intransparent sind.

Lasergeräte werden entsprechend der schädlichen biologischen Wirkung von Laserstrahlung in Klassen eingeteilt. Maßgeblich für die nationalen und internationalen Laserklassen ist dabei die Definition von Grenzwerten, bei denen keine Schädigung zu erwarten ist. Neben der amerikanischen ANSI-Norm gibt die International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection Grenzwerte im Spektralbereich zwischen 400 und 1400 nm heraus.

Maßgeblich ist bei nichtionisierender Strahlung die thermische Leistung pro Fläche sowie die spezifischen wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften des Gewebes (Haut sowie Retina, Hornhaut, Glaskörper und Linse des Auges). Durch die Fokussierung der Augenlinse ist die Gefährlichkeit im sichtbaren und besonders im angrenzenden infraroten Bereich erhöht.

Oberhalb von 1,4 µm Wellenlänge wird die Strahlung großflächig in der Hornhaut absorbiert. Sie bietet einen Schutz für die Retina des Auges. Jedoch reduziert sich die Absorptionstiefe auf weniger als 0,1 mm bei 3 µm Wellenlänge, weshalb es zu Schäden in der Hornhaut kommen kann. Aus diesem Grund heißt der Wellenlängenbereich von 1,5 bis 2 µm augensicher (englischeye safe).

Unterhalb 1,4 µm sind Hornhaut, Haut und darunter liegendes Gewebe im Bereich 1200 nm (Nahinfrarot) bis rot (700 nm) teiltransparent, sodass hier tiefreichende Schädigungen auftreten können, deren Entstehung aufgrund dort nicht vorhandenen Wärmeempfindens oft nicht bemerkt werden. Auch Netzhautschäden durch Laser-Strahlung im Nahinfrarot werden oft nicht bemerkt und erst durch für entsprechende Arbeitsplätze vorgesehene ärztliche Augenuntersuchungen entdeckt.

Bei Wellenlängen unterhalb von etwa 400 nm werden organische Molekülbindungen zerstört, die Absorptionstiefe im Gewebe verlagert sich mit kürzerer Wellenlänge an die Oberfläche von Haut und Auge. Es treten auch bei geringen thermischen Leistungsdichten Linsen- und Hornhauttrübungen sowie Schädigungen der Haut vergleichbar einem Sonnenbrand auf. Dementsprechend sind die Grenzwerte der Leistungsdichte bei diesen kurzen Wellenlängen geringer als beispielsweise im mittleren Infrarot.

Die Klasseneinteilung von Lasergeräten und -anlagen erfolgt anhand maximal auftretender Leistungs- bzw. Energiedichten, je nachdem, ob es sich um kontinuierliche oder Pulslaser handelt. Dabei ist auch die Expositionsdauer und die Wellenlänge maßgebend.

Klassifizierung nach DIN EN 60825-1

Maximale cw-Leistungen für Laser der Klassen 1, 2, 3R und 3B gemäß EN 60825-1:2007.
Die angegebenen Leistungen gelten nur für punktförmige Quellen und stark kollimierte Laserstrahlung. Bei ausgedehnten Quellen und divergenter Strahlung sind höhere Leistungen zulässig.
Ein vorschriftsgemäß nach EN 60825-1 klassifizierter Laser.

Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach DIN EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDE 0837 (→ unten) darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden.)

Klasse Beschreibung
1 Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, oder der Laser befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse
1C Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich für das Auge, aber in besonderen Fällen gefährlich für die Haut.
1M Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
2 Die zugängliche Laserstrahlung liegt nur im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s) auch für das Auge ungefährlich.
2M Wie Klasse 2, solange keine optischen Instrumente wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden.
3R Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge.
3B Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut. Diffuses Streulicht ist in der Regel ungefährlich. (Laser von CD-/DVD-Brennern; Laserstrahlung allerdings nicht direkt zugänglich)
4 Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Beim Einsatz dieser Laserstrahlung besteht Brand- oder Explosionsgefahr. (Materialbearbeitung, Forschungslaser)

Anmerkung zu Laserklasse 2 und 2M: Eine wissenschaftliche Untersuchung ergab, dass der Lidschlussreflex (dieser tritt innerhalb 0,25 s auf; eine längere Bestrahlung schädigt das Auge) nur bei ca. 20 % der Testpersonen gegeben war. Vom Vorhandensein des Lidschlussreflexes kann daher nicht als Regelfall ausgegangen werden.

Anmerkung zur Leistung: Bei Lasern, die ausgedehnte Lichtquellen darstellen und/oder divergente Strahlung abgeben, können weit höhere Leistungen zulässig sein als bei kollimierten Lasern derselben Klasse. So wird z. B. auf Seite 67 von EN 60825-1:2007 das Beispiel B.3.2 angegeben, bei dem eine stark divergente 12-mW-Laserdiode (Wellenlänge 900 nm) nach Klasse 1M klassifiziert wird.

Klassifizierung nach DIN VDE 0837

Bis März 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDE 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebräuchlich.

Klasse Beschreibung
1 entspricht der Klasse 1 nach EN 60825-1
2 entspricht der Klasse 2 nach EN 60825-1

Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 1M eingestuft.

3a Die zugängliche Laserstrahlung wird für das Auge gefährlich, wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird. Ist dieses nicht der Fall, ist die ausgesandte Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm) bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s), in den anderen Spektralbereichen auch bei Langzeitbestrahlung, ungefährlich. Je nach Wellenlänge werden diese Laser heute meistens in Klasse 2M oder 3R eingestuft.
3b entspricht der Klasse 3B nach EN 60825-1
4 entspricht der Klasse 4 nach EN 60825-1
Commons: Laser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Laser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  1. Patrick Voss-de Haan: In: spektrum.de. 1998, abgerufen am 7. November 2019.
  2. F. K. Kneubühl, M. W. Sigrist: Laser. 3. Auflage. Teubner, 1991, S. 4.
  3. T. H. Maiman: Stimulated Optical Radiation in Ruby. In: Nature. 187, 4736, 1960, S. 493–494.
  4. R. G Gould: The LASER, light amplification by stimulated emission of radiation. In: The Ann Arbor Conference on Optical Pumping. 1959.
  5. A. Javan, W. R. Bennet, D. R. Herriot: Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture. In: Phys. Rev. Lett. 6, 1961, S. 106–110.
  6. J. Eichler, H.J. Eichler: Laser – Bauformen, Strahlführungen, Anwendungen. 7. Auflage. Springer Verlag, 2010, S. 275, Gleichung (13.31)
  7. T. Graf: Laser. Grundlagen der Laserstrahlquellen. 1. Auflage. Vieweg+Teubner, 2009, S. 189ff.
  8. M. Pollnau, M. Eichhorn: Spectral coherence, Part I: Passive resonator linewidth, fundamental laser linewidth, and Schawlow-Townes approximation. In: Progress in Quantum Electronics. In press, Nr. Journal Pre-proof, 2020, S. 100255. doi:.
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  10. Burkhard Dick, Ronald D. Gerste, Tim Schultz: Femtosecond Laser in Ophthalmology. Thieme, New York 2018, ISBN 978-1-62623-236-5.
  11. – grüner Blendlaser. In: alfalight.com (PDF)
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  14. Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN EN 60825-1 (VDE 0837-1):2015-07. Hrsg.: DIN und VDE. Berichtigung 3 Auflage. Beuth Verlag, Berlin 19. Juni 2014,S.23, 31f.
  15. H.-D. Reidenbach, K. Dollinger, J. Hofmann: Überprüfung der Laserklassifizierung unter Berücksichtigung des Lidschlussreflexes. In: Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin. Fb 985. Wirtschaftsverlag NW, Bremerhaven 2003, ISBN 978-3-89701-968-3 (Zusammenfassung in (PDF; 120 kB).).
Normdaten (Sachbegriff): GND:(, ) | LCCN:

Laser
laser, akronym, für, engl, light, amplification, stimulated, emission, radiation, lichtverstärkung, durch, stimulierte, emission, strahlung, sprache, beobachten, bearbeiten, titel, dieses, artikels, mehrdeutig, weitere, bedeutungen, sind, unter, begriffsklärun. Laser Akronym fur engl Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Lichtverstarkung durch stimulierte Emission von Strahlung Sprache Beobachten Bearbeiten Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig Weitere Bedeutungen sind unter Laser Begriffsklarung aufgefuhrt Laser ˈlɛɪzer auch ˈleːzer oder ˈlaːzer Akronym fur englisch light amplification by stimulated emission of radiation Licht Verstarkung durch stimulierte Emission von Strahlung bezeichnet sowohl den physikalischen Effekt als auch das Gerat mit dem Laserstrahlen erzeugt werden Laserstrahlen sind elektromagnetische Wellen Vom Licht einer zur Beleuchtung verwendeten Lichtquelle beispielsweise einer Gluhlampe unterscheiden sie sich vor allem durch die sonst unerreichte Kombination von hoher Intensitat oft sehr engem Frequenzbereich monochromatisches Licht scharfer Bundelung des Strahls und grosser Koharenzlange Auch sind bei sehr weitem Frequenzbereich extrem kurze und intensive Strahlpulse mit exakter Wiederholfrequenz moglich 1 Laser haben zahlreiche Anwendungsmoglichkeiten in Technik und Forschung sowie im taglichen Leben vom einfachen Lichtzeiger z B Laserpointer bei Prasentationen uber Entfernungsmessgerate Schneid und Schweisswerkzeuge Auslesen von optischen Speichermedien wie CDs DVDs und Blu ray Discs Nachrichtenubertragung bis hin zum Laserskalpell und anderen Laserlicht verwendenden Geraten im medizinischen Alltag Laser gibt es fur Strahlungen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums von Mikrowellen Maser uber Infrarot sichtbares Licht Ultraviolett bis hin zu Rontgenstrahlung Die besonderen Eigenschaften der Laserstrahlen entstehen durch ihre Erzeugung in Form einer stimulierten Emission Der Laser arbeitet wie ein optischer Verstarker typischerweise in resonanter Ruckkopplung Die dazu erforderliche Energie wird von einem Lasermedium bspw Kristall Gas oder Flussigkeit bereitgestellt in dem aufgrund ausserer Energiezufuhr eine Besetzungsinversion herrscht Die resonante Ruckkopplung entsteht in der Regel dadurch dass das Lasermedium sich in einem elektromagnetischen Resonator fur die Strahlung bestimmter Richtung und Wellenlange befindet Neben den diskreten Energieniveaus atomarer Ubergange gibt es auch Laserbauarten mit kontinuierlichen Energieubergangen wie den Freie Elektronen Laser Da atomare Energieniveaus kleiner 13 6 eV beschrankt sind dies entspricht einer Grenze bei der Wellenlange von 90 nm benotigen die im Bereich der Rontgenstrahlung mit Wellenlangen kleiner 10 nm arbeitenden Rontgenlaser Bauarten mit kontinuierlichen Energieubergangen Verschiedenfarbige Laser Demonstrationslaser In der Mitte ist das Leuchten der Gasentladung zu sehen die das Lasermedium anregt Der Laserstrahl ist rechts als roter Punkt auf dem weissen Schirm zu erkennen Inhaltsverzeichnis 1 Grundfunktionen 1 1 Grundlegende Bestandteile 1 2 Funktionsweise 2 Geschichte 3 Physikalische Grundlagen 3 1 Zweiniveausystem 3 2 Dreiniveausystem 3 3 Vierniveausystem 3 4 Laserresonator 3 5 Longitudinale Moden 3 6 Transversale Moden 4 Eigenschaften von Laserstrahlung 4 1 Koharenz 4 2 Polarisation 4 3 Frequenz Wellenlange 5 Lasertypen nach der Signalform 5 1 Dauerstrich 5 2 Pulse 6 Einteilung anhand des Lasermediums 7 Anwendungen 7 1 Alltag und Unterhaltung 7 2 Datengewinnung und ubertragung 7 3 Industrie und Materialbearbeitung 7 4 Medizin 7 5 Mess und Steuerungstechnik 7 6 Energietechnik 7 7 Militar 7 8 Wissenschaft und Forschung 7 8 1 Homogenisierung 8 Gefahren 8 1 Gefahren fur die Gesundheit 8 2 Sachschaden 8 3 Gefahren Pravention 9 Laserklassen 9 1 Klassifizierung nach DIN EN 60825 1 9 2 Klassifizierung nach DIN VDE 0837 10 Literatur 11 Weblinks 12 Siehe auch 13 EinzelnachweiseGrundfunktionen BearbeitenGrundlegende Bestandteile Bearbeiten Ein Laser besteht konzeptionell aus drei Bestandteilen Aktives Medium Lasermedium Im aktiven Medium entstehen durch den optischen Ubergang angeregter Atome oder Molekule in einen energetisch gunstigeren Zustand Photonen Zentrale Bedingung fur ein Lasermedium ist dass sich eine Besetzungsinversion herstellen lasst Das bedeutet dass der obere Zustand des optischen Ubergangs mit einer hoheren Wahrscheinlichkeit besetzt ist als der untere Ein solches Medium muss mindestens uber drei Niveaus verfugen und kann gasformig z B CO2 flussig z B Farbstofflosungen oder fest z B Rubinkristall Halbleitermaterial sein 1 Pumpe Um eine Besetzungsinversion herbeizufuhren muss in das Lasermedium Energie hineingepumpt englisch pumping werden Damit dieser Pumpprozess nicht mit der stimulierten Emission konkurriert muss dieser auf einem anderen quantenmechanischen Ubergang basieren Das Pumpen kann optisch Einstrahlung von Licht oder elektrisch z B Gasentladung elektrischer Strom bei Laserdioden die Atome oder Molekule des Lasermediums in angeregte Zustande bringen 1 Resonator Ein Resonator besteht zum Beispiel aus zwei parallelen Spiegeln zwischen welchen sich das aktive Lasermedium befindet Photonen deren Propagation senkrecht zu den Spiegeln verlauft verbleiben im Resonator und konnen daher mehrfach die Emission weiterer Photonen im aktiven Medium auslosen stimulieren Ein auf diese Weise entstehendes Photon entspricht in allen Quantenzahlen dem auslosenden Photon Spontane Photonen die den Resonator zum Beispiel quer verlassen stimulieren dementsprechend eher keine weiteren Photonen Diese Selektion des Resonators fuhrt zur engen Abstrahlrichtung von Laserstrahlung Manche Resonatoren sind auch wellenlangenselektiv dichroitische Spiegel Bragg Gitter und konnen dadurch die anschwingenden longitudinalen Moden weiter einschranken In manchen hochverstarkenden Lasermedien ist ein Resonator zum Erzielen stimulierter Emission nicht zwingend erforderlich siehe Superstrahler 1 Funktionsweise Bearbeiten Zunachst werden Atome im Lasermedium durch die eingespeiste Leistung von unteren Energieniveaus z B Grundzustand in energetisch hohere d h angeregte Zustande versetzt Dabei soll die mittlere Zerfallszeit der angeregten Zustande in der Regel durch spontane Emission moglichst lang sein Somit bleibt die Pumpenergie dort langere Zeit gespeichert sodass eine Besetzungsinversion aufgebaut werden kann Nun genugt eine Stimulierung eines Atoms durch ein Photon mit der auszustrahlenden Energie damit das angeregte Atom wieder in seinen Grundzustand zuruckfallt und dabei ein Photon der identischen Energie also identischer Wellenlange und Frequenz sowie identischer Phasenlage wie das stimulierende Photon aussendet Beide Photonen bewegen sich in die gleiche Richtung Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstarker Das frisch entstandene zweite Photon kann dann seinerseits andere angeregte Atome zur Ausstrahlung stimulieren und es kommt zu einer Kettenreaktion Zu dieser Verstarkerwirkung kommt dann noch hinzu dass sich die Anordnung in einem Resonator s u bei Laserresonator befindet der durch seine Abmessungen auf die gewunschte Wellenlange abgestimmt ist So hat ein Photon bei mehrfachem Durchlaufen des Lasermediums genugend Chancen andere Atome zu stimulieren Der Resonator ist im Prinzip aus zwei Spiegeln an den Enden der Anordnung gebildet Durch diese Spiegel wird auch die Richtung des erzeugten Lichtstrahls endgultig festgelegt Einer der beiden Spiegel ist teildurchlassig ausgefuhrt so dass ein Teil des Lichts austreten und seiner Nutzung zugefuhrt werden kann 1 Geschichte BearbeitenAlbert Einstein beschrieb bereits 1916 die stimulierte Emission als eine Umkehrung der Absorption 1928 gelang Rudolf Ladenburg der experimentelle Nachweis Danach wurde lange geratselt ob der Effekt zur Verstarkung des Lichtfeldes benutzt werden konnte da zum Erreichen der Verstarkung eine Besetzungsinversion eintreten musste Diese ist aber in einem stabilen Zweiniveausystem unmoglich Zunachst wurde ein Dreiniveausystem in Betracht gezogen und die Rechnungen ergaben eine Stabilitat fur Strahlung im Mikrowellenbereich 1954 realisiert im Maser von Charles H Townes der Mikrowellenstrahlung aussendet Danach wurde unter anderem auch von Townes und Arthur L Schawlow an der Ubertragung des Maserprinzips auf kurzere Wellenlangen gearbeitet Optisches Pumpen wurde Anfang der 1950er Jahre von Alfred Kastler eingefuhrt In den 1950er Jahren entdeckten auch die sowjetischen Wissenschaftler und Nobelpreistrager Alexander Michailowitsch Prochorow und Nikolai Gennadijewitsch Bassow unabhangig das Maserprinzip und Optisches Pumpen und Prochorow schlug 1958 die Realisierung bei kurzeren Wellenlangen in einem Rubinlaser vor Der erste Laser ein Rubinlaser wurde von Theodore Maiman am 16 Mai 1960 fertiggestellt 2 3 Der erste Gaslaser der Helium Neon Laser wurde ebenfalls 1960 entwickelt Ali Javan William R Bennett Donald R Herriott Gepragt wurde der Begriff Ende der 1950er Jahre 4 durch Gordon Gould in Anlehnung an den Maser Gould nutzte den Begriff erstmals 1957 in seinen Notizen Fruhe Veroffentlichungen nannten den Laser noch optical maser optischer Maser Die weitere Entwicklung fuhrte dann zunachst zu verschiedenen Gaslasern Sauerstoff Stickstoff CO2 Laser He Ne Laser 5 und danach zu Farbstofflasern das laseraktive Medium ist flussig durch Fritz P Schafer und Peter Sorokin 1966 Eine Weiterentwicklung von Kristalltechnologien ermoglichte eine sehr starke Erweiterung des spektralen Nutzbereiches Durchstimmbare Laser zum Anfahren einer bestimmten Wellenlange und breitbandige Laser wie z B der Titan Saphir Laser lauteten in den 1980er Jahren die Ara der Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von Piko und Femtosekunden ein Die ersten Halbleiterlaser wurden in den 1960er Jahren entwickelt Robert N Hall 1962 Nick Holonyak 1962 im sichtbaren Spektralbereich Nikolai Bassow praktikabel aber erst mit der Entwicklung von Halbleiterlasern auf Basis von Heterostrukturen Nobelpreis fur Herbert Kroemer Schores Alfjorow In den spaten 1980er Jahren ermoglichte die Halbleitertechnik immer langlebigere hocheffektive Halbleiter Laserdioden die mit kleiner Leistung in CD und DVD Laufwerken oder in Glasfaser Datennetzen eingesetzt werden und inzwischen nach und nach als Pumpquellen mit Leistungen bis in den kW Bereich die wenig effektive Lampenanregung von Festkorperlasern ersetzen In den 1990er Jahren wurden neue Pumpgeometrien fur hohe Laserleistungen verwirklicht wie der Scheiben und der Faserlaser Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der Verfugbarkeit von neuen Fertigungstechniken und Leistungen bis 20 kW zunehmend Anwendungen bei der Materialbearbeitung bei der sie die bisher gebrauchlichen Typen CO2 Laser lampengepumpte Nd YAG Laser teilweise ersetzen konnen Ende der 1990er Jahre erreichten blaue und ultraviolette Laserdioden die Marktreife Shuji Nakamura Zu Beginn des 21 Jahrhunderts wurden erstmals nichtlineare Effekte ausgenutzt um Attosekundenpulse im Rontgenbereich zu erzeugen Damit liessen sich zeitliche Ablaufe im Inneren eines Atoms verfolgen Inzwischen ist der Laser zu einem bedeutenden Instrument der Industrie Medizin Kommunikation Wissenschaft und Unterhaltungselektronik geworden Physikalische Grundlagen BearbeitenIm aktiven Medium im Resonator befindet sich eine feste Anzahl N displaystyle N Atome oder Molekule mit jeweils mehreren aber immer den gleichen Energieniveaus Zwei dieser Niveaus bezeichnet als unteres Laserniveau E 1 displaystyle E 1 und oberes Laserniveau E 2 displaystyle E 2 wobei E 1 lt E 2 displaystyle E 1 lt E 2 bilden den Laserubergang Der Laserubergang ist derjenige optische Ubergang dessen Energiedifferenz der Frequenz des Laserlichts entspricht Die Differenz D N N 1 N 2 displaystyle Delta N N 1 N 2 zwischen der Anzahl der Teilchen im unteren N 1 displaystyle N 1 und oberen Laserniveau N 2 displaystyle N 2 wird als Inversion bezeichnet und ist massgeblich fur die Funktionsweise des Lasers Es existieren zwei grundlegende Bedingungen die gleichzeitig erfullt sein mussen damit ein Laser funktioniert D N lt 0 displaystyle Delta N lt 0 Besetzungsinversion es mussen sich mehr Teilchen im oberen als im unteren Laserniveau befinden Sofern ein Resonator verwendet wird muss die Verstarkung des Laserlichts durch stimulierte Emission bei einem Durchlauf durch den Resonator grosser als seine Verluste durch Absorption Streuung und Spiegelverluste insbesondere Auskoppelverluste sein Die Resonatorspiegel mussen wenigstens auf einer Seite eine Reflektivitat kleiner eins haben damit Laserlicht den Laser verlassen kann und uberhaupt genutzt werden kann Dieses Auskoppeln eines Teils des Laserlichts wird als Auskoppelverlust bezeichnet weil dieser Anteil nicht mehr zur weiteren Verstarkung im Lasermedium durch stimulierte Emission beitragt Jeder Ubergang zwischen den zwei Niveaus entspricht der Emission oder Absorption eines Photons mit der Kreisfrequenz w D E ℏ displaystyle omega Delta E hbar wobei D E displaystyle Delta E die Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus und ℏ displaystyle hbar das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum ist Bei der Emission entsteht solch ein Photon bei Absorption geht entsprechend ein Photon verloren Die Wahl des Lasermediums gibt somit die Frequenz bzw die Farbe des Lichtes vor Die mathematische Beschreibung der Besetzung erfolgt uber spezielle gekoppelte Differentialgleichungen sogenannte Ratengleichungen Diese beschreiben den zeitlichen Verlauf der Besetzungszustande also die zeitliche Anderung von N 1 displaystyle N 1 und N 2 displaystyle N 2 Die genaue Form der Ratengleichungen hangt davon ab wie viele Energieniveaus neben den zwei Laserniveaus zur Verfugung stehen und genutzt werden sowie von der Art bestimmter Naherungen Zweiniveausystem Bearbeiten Hauptartikel Zweizustandssystem Ein Zweiniveausystem Zwei stabile Energieniveaus reichen nicht fur die Konstruktion eines Lasers aus wie im Folgenden gezeigt wird Die Betrachtung von Zweiniveausystemen liefert jedoch die Grundlage fur Betrachtungen von Lasermedien mit mehr als zwei Energieniveaus bei denen Laserbetrieb moglich ist Ein theoretisches Zweiniveausystem wurde direkt vom unteren in das obere Laserniveau gepumpt werden Fur ein Zweiniveausystem lauten die Ratengleichungen d N 1 d t B I N 1 B I N 2 A N 2 displaystyle frac dN 1 dt BIN 1 BIN 2 AN 2 d N 2 d t B I N 1 B I N 2 A N 2 d N 1 d t displaystyle frac dN 2 dt BIN 1 BIN 2 AN 2 frac dN 1 dt Dabei ist A displaystyle A der Einsteinkoeffizient fur die spontane Emission B displaystyle B der Einsteinkoeffizient fur Absorption bzw stimulierte Emission und I displaystyle I die Intensitat des Lichts im Resonator Die einzelnen Terme stehen jeweils fur die Absorption bzw Emission von Photonen und damit die Anderung der Teilchenzahl in diesem Zustand Da fur den Laserbetrieb die Inversion D N displaystyle Delta N wichtig ist wird die Differenz dieser zwei Ratengleichungen gebildet sowie N 1 displaystyle N 1 und N 2 displaystyle N 2 durch D N N 1 N 2 displaystyle Delta N N 1 N 2 und die Erhaltungsgrosse N N 1 N 2 displaystyle N N 1 N 2 ausgedruckt d N 1 N 2 d t d D N d t 2 B I D N A N A D N displaystyle frac d N 1 N 2 dt frac d Delta N dt 2BI Delta N AN A Delta N Nach einer gewissen Zeit wird sich ein Gleichgewicht in den Besetzungen einstellen wodurch die zeitliche Anderung der Inversion verschwindend klein wird Fixpunkt Um diesen Gleichgewichtspunkt zu finden setzt man d D N d t 0 displaystyle tfrac d Delta N dt 0 Die sich ergebende Gleichung kann dann nach D N s displaystyle Delta N s umgeformt werden D N s N 1 2 I I S displaystyle Delta N s frac N 1 2I I S wobei I S A B displaystyle I S A B als Sattigungsintensitat bezeichnet wird der Index S displaystyle S steht fur stationar Diese Besetzungsinversion ist immer positiv unabhangig davon wie gross die Intensitat I displaystyle I wird Das heisst es sind immer weniger Teilchen im oberen Laserniveau als im unteren Somit ist eine Besetzungsinversion in einem stabilen Zweiniveausystem nicht moglich Es ist somit unmoglich in dieser Weise einen Laser zu konstruieren Eine anschauliche Begrundung liefern die Einsteinkoeffizienten Sobald die Halfte aller Teilchen im Lasermedium im oberen Laserniveau sind ist die Wahrscheinlichkeit dass ein Atom im unteren Laserniveau ein Photon absorbiert genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit dass ein Atom im oberen Laserniveau ein Photon durch stimulierte Emission abgibt Die zusatzliche spontane Emission sorgt weiterhin dafur dass nicht einmal diese theoretische Grenze erreicht wird Dreiniveausystem Bearbeiten Zusatzlich zu den beiden Niveaus im Zweiniveausystem existiert in einem Dreiniveausystem ein weiteres Energieniveau E 3 displaystyle E 3 oberhalb des oberen Laserniveaus so dass gilt E 1 lt E 2 lt E 3 displaystyle E 1 lt E 2 lt E 3 Das Pumpen erfolgt diesmal vom unteren Laserniveau E 1 displaystyle E 1 in das neue Niveau E 3 displaystyle E 3 Fur das dritte Niveau wird ausserdem die Bedingung aufgestellt dass es viel schneller in den Zustand E 2 displaystyle E 2 ubergeht als E 2 displaystyle E 2 nach E 1 displaystyle E 1 so dass gilt N 3 0 displaystyle N 3 approx 0 oder wieder N N 1 N 2 N 3 N 1 N 2 displaystyle N N 1 N 2 N 3 approx N 1 N 2 Dieser schnelle Ubergang geschieht entweder strahlungslos oder uber spontane Emission Analog zum Zweiniveausystem werden auch hier wieder Ratengleichungen aufgestellt d N 1 d t B I N 1 A N 2 displaystyle frac dN 1 dt BIN 1 AN 2 d N 2 d t B I N 1 A N 2 d N 1 d t displaystyle frac dN 2 dt BIN 1 AN 2 frac dN 1 dt Im Gegensatz zum Zweiniveausystem fehlt hier die stimulierte Emission durch den Pumpvorgang Wieder konnen diese Ratengleichungen durch Differenzbildung Ausdrucken durch D N displaystyle Delta N und N displaystyle N und anschliessender Betrachtung des Gleichgewichtszustandes d D N d t 0 displaystyle tfrac d Delta N dt 0 zu einer Gleichung fur die Besetzung umgeformt werden D N s N 1 I I S 1 I I S displaystyle Delta N s N frac 1 I I S 1 I I S Diese Gleichung wird negativ N 1 lt N 2 displaystyle N 1 lt N 2 sobald die Bedingung I gt I S displaystyle I gt I S erfullt wird Dies bedeutet dass sich in einem Dreiniveausystem mehr Teilchen im oberen Laserniveau befinden konnen und somit Besetzungsinversion moglich ist Voraussetzung ist eine hohe Intensitat des Lichts im Resonator Dreiniveaulaser sind somit moglich Vierniveausystem Bearbeiten Bei einem Vierniveausystem kommt gegenuber dem Dreiniveausystem ein weiteres Energieniveau E 0 displaystyle E 0 hinzu Dieses befindet sich unterhalb des unteren Laserniveaus E 1 displaystyle E 1 so dass gilt E 0 lt E 1 lt E 2 lt E 3 displaystyle E 0 lt E 1 lt E 2 lt E 3 Der Ubergang von E 1 displaystyle E 1 nach E 0 displaystyle E 0 hat wieder als Bedingung dass er sehr schnell geschieht Damit andert sich die genaherte Bedingung fur die Gesamtteilchenzahl zu N N 0 N 2 displaystyle N approx N 0 N 2 und die Gleichung fur die Besetzung wird zu D N N 1 N 2 N 2 displaystyle Delta N N 1 N 2 approx N 2 Der Pumpvorgang geschieht hierbei von E 0 displaystyle E 0 nach E 3 displaystyle E 3 Die Ratengleichungen ergeben sich damit zu d N 1 d t 0 displaystyle frac dN 1 dt approx 0 d N 2 d t B I N 0 A N 2 displaystyle frac dN 2 dt BIN 0 AN 2 Auch hier ist es wieder moglich N 0 displaystyle N 0 und N 2 displaystyle N 2 durch N displaystyle N und D N displaystyle Delta N auszudrucken sowie die Gleichgewichtsbedingung anzusetzen und nach D N displaystyle Delta N aufzulosen D N N I I S 1 I I S displaystyle Delta N N frac I I S 1 I I S In diesem Fall ist die Besetzung immer negativ Das bedeutet dass ein extern angeregtes Vierniveausystem sehr gut als Lasermedium geeignet ist Praktisch alle modernen Laser werden als Vier oder Mehrniveausysteme konzipiert Laserresonator Bearbeiten Schema eines Laserresonators Strahlenverlauf im konfokalen Resonator In einem Laser wird die Strahlung die anfanglich durch spontane Emission initiiert wurde durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet geleitet in dem Besetzungsinversion herrscht Eine solche Anordnung heisst optischer Resonator oder Laserresonator Durch das standige Hin und Herlaufen kann eine ausreichende Verstarkung zur Uberschreitung der Laserschwelle erreicht werden Die Laserschwelle kann nur uberschritten werden wenn die Verstarkung im Resonator grosser ist als der Verlust z B durch spontane Emission Streuung und ausgekoppelter Leistung Diese Bedingung stellt neben der Besetzungsinversion die zweite grundlegende Voraussetzung dar dass ein Laser funktionieren kann Ein Laserresonator besteht im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln zwischen denen die Strahlung reflektiert wird so dass sich der Weg durch das Lasermedium verlangert Dadurch kann ein Photon sehr oft stimulierte Emission hervorrufen Einer der beiden Spiegel ist teildurchlassig und wird Auskoppelspiegel oder Auskoppler genannt Dieser sorgt dafur dass ein Teil der Strahlung das Gerat als Laserstrahl verlassen kann Lasermedien mit sehr hoher Verstarkung konnen unter Umstanden auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel arbeiten Im Resonator werden nur Frequenzen verstarkt welche die Resonanzbedingung erfullen fur die also gilt L n l 2 n n c 2 L displaystyle L n frac lambda 2 quad Leftrightarrow quad nu n frac c 2L Dabei ist n displaystyle n eine naturliche Zahl und L displaystyle L die Resonatorlange Andere Frequenzen werden durch destruktive Interferenz ausgeloscht Ein anderer Aufbau ist der Ringresonator bei dem das Licht durch mehrfache Reflexion einen geschlossenen Pfad durchlauft Die Gute des Resonators d h das Verhaltnis zwischen hin und herreflektierter Strahlung zu austretender Strahlung muss bei gering verstarkenden Medien besonders hoch sein Ein Beispiel hierfur ist der Helium Neon Laser Die Resonatorgute kann oft mittels in ihm befindlicher optischer Komponenten zeitabhangig aber auch hinsichtlich der Wellenlange und des lateralen Strahlprofiles beeinflusst werden um eine gute Strahlqualitat Frequenzkonstanz und Koharenz sowie Pulsformung des Laserstrahls zu erzielen Solche Komponenten sind z B Blenden optische Schalter Guteschalter oder frequenzselektive Endspiegel Die Resonatorstabilitat kann bei einfachen Resonatoren Spiegel aktives Medium Spiegel mit den sog g Faktoren berechnet werden Sie sind definiert als g 1 1 L R 1 displaystyle g 1 1 frac L R 1 g 2 1 L R 2 displaystyle g 2 1 frac L R 2 Hierbei sind R 1 displaystyle R 1 und R 2 displaystyle R 2 die Krummungsradien der beiden Resonatorspiegel und L displaystyle L die Gesamtlange des Resonators Die Stabilitatsbedingung lautet 0 lt g 1 g 2 lt 1 displaystyle 0 lt g 1 g 2 lt 1 6 Ein paraxialer Strahl verlasst selbst nach beliebig vielen Reflexionen den Resonator nicht Ist das Ergebnis gerade 0 oder 1 ist der Resonator grenzstabil Ein Beispiel hierfur ist der konfokale g 1 g 2 0 displaystyle g 1 g 2 0 hemispharische g 1 0 g 2 1 displaystyle g 1 0 g 2 1 konzentrische g 1 g 2 1 displaystyle g 1 g 2 1 oder plan plan Resonator g 1 g 2 1 displaystyle g 1 g 2 1 welcher auch als Fabry Perot Resonator bekannt ist In der Praxis sind diese Art Laser sehr schwierig zu justieren und laufen meistens nur dadurch dass andere Linseneffekte den Resonator in den Bereich der Stabilitat fuhren Ein solcher Effekt kann beispielsweise ein thermischer Linseneffekt sein bei dem durch einen Temperaturgradienten im Resonator eine thermische Linse entsteht Stabile Resonatoren beeinflussen die Strahlqualitat und die Koharenzeigenschaften des Laserstrahls positiv Der Nachteil ist die schlechte Ausnutzung des Lasermediums da der Lichtstrahl immer wieder auf dieselben Teilchen trifft anstatt neue Teilchen anzuregen Bei instabilen Resonatoren gilt g 1 g 2 gt 1 displaystyle g 1 g 2 gt 1 oder g 1 g 2 lt 0 displaystyle g 1 g 2 lt 0 Fur diese sind die Beugungsverluste sehr hoch jedoch konnen durch ein Lasermedium mit grossem Durchmesser instabile Resonatoren vorteilhaft genutzt werden da diese eine gleichformige Intensitatsverteilung im Resonator erzeugen Voraussetzung hierfur ist jedoch eine hohe Verstarkung des Lasermediums Instabile Resonatoren werden daher meistens in Lasern verwendet die eine hohe Verstarkung pro Resonatorumlauf besitzen und bei denen vorrangig hohe Ausgangsleistung und weniger die Strahlqualitat massgebend sind Von besonderer Bedeutung ist der asymmetrische konfokale instabile Resonator da dieser einen parallelen Ausgangsstrahl liefert Da bei der Erzeugung von Laserstrahlung ein nicht unerheblicher Teil der aufgewendeten Energie in Warme umgewandelt wird ist bei der Konstruktion von Laserresonatoren gerade im Hochleistungsbereich auch stets auf eine effiziente Kuhlung des Laseraktivenmediums zu achten Hierbei spielen auch durch einen Temperaturgradienten im Laseraktivenmedium verursachte optische Effekte eine grosse Rolle wodurch die Fokuslage innerhalb des Resonators von dessen Temperatur abhangt Bei Gaslasern kann eine effiziente Kuhlung beispielsweise dadurch erreicht werden dass das verwendete Gas standig umgewalzt wird um es ausserhalb des eigentlichen Lasers zu kuhlen 7 Longitudinale Moden Bearbeiten Mogliche Wellenlangen zwischen den Resonatorspiegeln Darstellung Amplitude als Funktion des Abstandes von den Spiegeln Longitudinale Lasermoden bei gaussformigem Verstarkungsprofil in einem Resonator Darstellung Amplitude als Funktion der Frequenz Unterschiedliche Schwingungsformen werden Moden genannt Als longitudinal bezeichnet man die Schwingung langs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung Bildlich ausgedruckt handelt es sich dabei um Intensitatsberge und taler im Abstand einer halben Wellenlange Bei einem He Ne Laser von einigen Zentimetern Lange konnte man zwischen den Spiegeln etwa 600 000 Intensitatsberge zahlen bei einer kurzen Laserdiode nur einige Tausend Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte Wellenlangen und deren Vielfache besonders verstarkt weil sich nur fur bestimmte Wellenlangen eine stehende Welle zwischen den Spiegeln ergibt Das Bild zeigt die Intensitatsverteilung rund um die Grundmode angegeben als mittlere Intensitat in Abhangigkeit von der Frequenz n 0 displaystyle nu 0 Fur die moglichen Lichtfrequenzen in einem Laserresonator gilt der Zusammenhang n N N c 2 L displaystyle nu N N cdot frac c 2L n N displaystyle nu N ist dabei die zulassige Frequenz der N displaystyle N ten Mode c displaystyle c die Lichtgeschwindigkeit und L displaystyle L die Resonatorlange Abstand zwischen den Resonatorspiegeln In dieser Formel kann man die Frequenz durch den gebrauchlicheren Begriff Wellenlange ersetzen und erhalt fur die moglichen Wellenlangen l displaystyle lambda in einem Resonator 2 L N l displaystyle 2L N cdot lambda Ein optischer Resonator wirkt also wie ein Kammfilter das bestimmte aufeinanderfolgende Frequenzen verstarkt oder abschwacht Durch gaussformige Dopplerverbreiterung der an sich scharfen Emissionslinie entsteht die gaussformige Einhullende uber eine gewisse Anzahl von Kammzinken Auf Grund obiger Resonatoreigenschaft und der wieder anschliessenden Dopplerverbreiterung werden mehrere Teillinien der Emissionslinie des aktiven Mediums im Resonator verstarkt Die einzelnen im Resonator verstarkten Teillinien haben ein Lorentzprofil mit sehr geringen Linienbreiten wegen der grossen Lange der Wellenzuge im Resonator und weil bei der Resonanz Storeffekte wie der Doppler Effekt in den Hintergrund treten Somit erhalt man das nebenstehende Spektrum mit mehreren Lorentz Kurven den sogenannten Lasermoden mit einer gaussformigen Einhullenden Da jedoch eine Mindestintensitat notig ist damit im Resonator noch eine Verstarkung stattfinden kann erhalt man nur eine begrenzte Anzahl Moden da Moden die zu weit vom Linienschwerpunkt entfernt sind zu wenig intensiv sind um noch verstarkt zu werden Der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden ist D n c 2 L displaystyle Delta nu frac c 2L Nach vier Reflexionen erreicht der Lichtstrahl den Startpunkt Es kann sich auch ein Zustand einstellen bei dem der Strahl zweimal durch den Resonator hin und herlaufen muss um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen Dadurch wird die effektive Resonatorlange verdoppelt und die Modenabstande werden auf D n c 4 L displaystyle Delta nu frac c 4L halbiert Die Halbwertsbreite D displaystyle Delta der Maxima ist D F S R F displaystyle Delta frac mathrm FSR mathcal F Der dabei auftretende Faktor F displaystyle mathcal F wird als Finesse bezeichnet und ist die entscheidende Kennzahl fur Resonatoren die das spektrale Auflosungsvermogen angibt F S R displaystyle mathrm FSR gibt den freien Spektralbereich des Resonators an Die Finesse hangt bei Vernachlassigung der Verluste im Resonator nur vom Reflexionsfaktor R displaystyle R der Spiegel ab F p R 1 R displaystyle mathcal F frac pi sqrt R 1 R Je nach verwendeten Spiegeln kann die Finesse Werte von etwa 10 bis zu mehreren 100 000 annehmen In vielen Anwendungen sind mehrere longitudinale Moden unerwunscht Eine Verkurzung der Resonatorlange um nur eine Mode zu erzeugen ergibt aber meist keinen Sinn da dadurch nicht die gewunschte Lichtleistung erzielt werden kann Man behilft sich indem im Resonator ein sogenanntes Etalon eingebracht wird Das Etalon stellt im Prinzip einen Resonator im Resonator dar welcher nur Wellen der gewunschten Mode verstarkt andere Moden aber unterdruckt Man spricht in diesem Fall von Monomode oder Singlemode Lasern im Gegensatz zu Multimode Lasern Transversale Moden Bearbeiten Feldstarke und Intensitat eines Laserstrahls in der TEM00 Mode TEM Profile bei zylindrischen Resonatoren Verschiedene Intensitatsprofile fur einen Resonator mit rechteckigen Spiegeln TEMxy Als transversale Moden bezeichnet man die Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Bildet sich also eine Mode aus die nicht den Raum senkrecht zu den Resonatorspiegeln ausfullt sondern etwas schrag verlauft so wird der Licht und Resonatorweg langer und die Frequenz verschiebt sich etwas Dieses fuhrt einerseits zum Konkurrieren um angeregte Mediumsmolekule zwischen den verschiedenen Frequenzen Mode Competition andererseits konnen sich so stehende Wellen ausbilden die Knotenlinien innerhalb des Laserprofils aufweisen Ob und wie sie in einem Laserstrahl vorkommen lasst sich durch optische Bauelemente wie Polarisationsfilter oder diffraktive optische Elemente bestimmen Die Art der transversalen Moden hangt von der Konstruktion des Lasers ab Bei Verwendung ebener Reflektoren treten TEM Moden auf das heisst in Ausbreitungsrichtung besitzt die elektromagnetische Welle keine elektrischen oder magnetischen Komponenten Das trifft auch fur die Lichtausbreitung im Freiraum zu Die Mehrzahl der Laser verwendet gekrummte Spiegel dann treten fast immer Hybrid Moden auf die auch in Ausbreitungsrichtung elektrische und magnetische Komponenten besitzen In Hohlleitern mit metallischer Hulle beobachtet man auch reine TE bzw TM Moden weil in der Hullflache elektrische Strome fliessen konnen Bei zylindrischem Querschnitt des Lasers hat die Strahlintensitat im Idealfall ein Gauss Profil diese Mode wird als TEM00 Mode bezeichnet siehe auch Moden Weitere akustische Moden Es konnen aber auch andere Profile mit Winkel und radialen Abhangigkeiten auftreten die sich durch Laguerre Polynome berechnen lassen Ist diese Zylindersymmetrie durch Polarisationsfilter oder Brewster Fenster gestort treten rechteckige Symmetrien auf die durch Hermitesche Polynome berechnet werden Abhangig von der Anzahl ihrer Knotenlinien in horizontale und vertikale Richtung werden sie als TEMxy Mode bezeichnet Fur diese Moden ist teilweise der Lichtweg durch den Resonator bis zum Ausgangspunkt anders das heisst die Resonatorlange erscheint verandert Dies kann zu einer Verfalschung der Longitudinalmodenspektren fuhren indem sich die Spektren verschiedener Transversalmoden uberlagern Eigenschaften von Laserstrahlung Bearbeiten Charakteristische Eigenschaften eines Laserstrahls eines Impuls lasers Messungen vom PHELIX Hochenergielaser am GSI in Darmstadt 1 Nahfeld mit Fullfaktor und Energiedichte 2 Strahlqualitat im Fernfeld 3 Pulsdauer und spektrale Breite Linienbreite Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser Resonators bestimmt insbesondere spielen dabei die Geometrie des aktiven Mediums und die Spiegelanordnung eine wichtige Rolle Mit Lasern gelingt es Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw zu manipulieren Brillanz Intensitat Richtung Frequenz Polarisation Phase Zeit Eine allgemeine Aussage uber die Strahleigenschaften ist daher nicht moglich Es ist auch nicht richtig dass ein Laserstrahl immer ein enggebundelter Strahl mit geringer Frequenzbreite sein muss wofur er allerdings oft gehalten wird Je nach Zielsetzung ist eine Erzeugung derartiger Strahlen aber durchaus moglich Eine herausragende allgemeine Eigenschaft stellt jedoch die Moglichkeit zur starken Bundelung dar mit der sehr hohe Leistungsdichten erzielt werden konnen Die laterale Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlen ist bei guter Strahlqualitat ein Gaussprofil Gauss Strahl Generell kann man zu den Strahleigenschaften sagen dass Laserstrahlen sich gegenuber gewohnlichen Lichtquellen durch viele Unterschiede auszeichnen die im Folgenden genannt werden Koharenz Bearbeiten Hauptartikel Koharenz Bei einer normalen Gluhlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher Wellenlange ausgesendet sondern auch in unbestimmter Phasenlage zueinander Bei einem Laser dagegen sind die Wellen jeweils fast phasensynchron zueinander Die Wellen sind uber mehr oder weniger lange Strecken Koharenzlange fast phasengleich was man sich zum Beispiel in der Holografie zunutze macht Polarisation Bearbeiten Hauptartikel Polarisation Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator schrage Umlenkspiegel und Brewster Fenster geringe Hohe des Resonators bei Halbleiterlasern meistens linear Oft ist das erwunscht um polarisationsabhangige Kopplung und Strahlteilung durchfuhren zu konnen Beim Schneiden von Metallen tritt jedoch insbesondere bei der linear polarisierten CO2 Laserstrahlung im Schneidspalt eine polarisationsabhangige Absorption auf was eine schlechte und richtungsabhangige Schnittkantenqualitat zur Folge hat Daher wird beim Metallschneiden mit zirkularer Polarisation gearbeitet die durch phasendrehende Verzogerungsplatten im Strahlengang des Laserstrahls erzielt wird Frequenz Wellenlange Bearbeiten Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das aktive Medium und dessen zum Lasern geeignete Energieubergange bestimmt Es gibt Stoffe die auf vielen Wellenlangen zum Lasern angeregt werden konnen jedoch meistens bei einer Wellenlange besonders gut Laser konnen sehr schmalbandige Strahlquellen sein die Verstarkungsbandbreite beim Kohlenstoffdioxidlaser zum Beispiel 9 bis 11 µm ist jedoch meist hoher als die Bandbreite der abgegebenen Strahlung entweder schwingt der Laser von selbst im Maximum der Verstarkungsbandbreite beim Kohlendioxidlaser zum Beispiel 10 6 µm an oder man sorgt durch frequenzbestimmende Elemente fur eine schmalbandige Emission auf einer einzigen Frequenz Extreme Schmalbandigkeit ist z B bei der interferometrischen Langenmessung mittels Lasern von Bedeutung Bei extremer Breitbandigkeit spricht man von Superkontinuum Lasern welche z B in der optischen Koharenztomographie und zur Erzeugung von Frequenzkammen eingesetzt werden Die minimal erreichbare Bandbreite wird durch die fundamentale Laser Linienbreite 8 beschrieben Das Schawlow Townes Limit 9 ist eine vierfache Naherung dieser fundamentalen Laser Linienbreite 8 Lasertypen nach der Signalform BearbeitenDauerstrich Bearbeiten Ein Dauerstrichlaser ist ein Laser der im Gegensatz zu Pulslasern eine Lichtwelle konstanter Intensitat abstrahlt Laserstrahlung von Dauerstrichlasern englisch continuous wave laser cw laser ist im Idealfall schmalbandig monochrom einfarbig d h sie besteht nur aus Strahlung einer Wellenlange Insbesondere ist Dauerstrich Laserstrahlung aus stabilen Laserresonatoren aufgrund des Vielfachumlaufes zeitlich bzw longitudinal entlang seiner Ausbreitungsrichtung koharent was bedeutet dass die ausgesandten Wellenzuge nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen sondern auch in der Phase uber eine lange Strecke die Koharenzlange konstant sind Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgepragte Interferenzerscheinungen 1 Wahrend des Einschwingvorgangs des Dauerstrich Lasers tritt zunachst oft Spiking auf eine unregelmassige Abgabe von Laserpulsen Dieses Verhalten nutzt ein modengekoppelter Laser gezielt aus indem er die Spikes z B triggert oder synchronisiert Pulse Bearbeiten Hauptartikel Pulslaser Im Gegensatz zum Dauerstrichlaser erzeugt ein gepulster Laser pulsierende Strahlung Pulse konnen durch gepulste Anregung oder auch durch Massnahmen im Laser selbst Guteschaltung erzeugt werden Bei sehr kurzen Pulsen benotigt das aktive Medium prinzipiell eine grossere Verstarkungsbandbreite innerhalb derer die beteiligten Frequenzen gekoppelt sind Modenkopplung und sich zu einem Impuls zusammensetzen Je kurzer die Pulsdauer desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fourier Analyse das erzeugte Spektrum und umso breiter muss das Frequenzband sein innerhalb dessen das aktive Medium verstarken kann Die geringsten erzielbaren Pulsdauern liegen in der Grossenordnung von Femto und Attosekunden Femtosekundenlaser 1 Laser konnen sich auch selbst zur Abgabe einer Pulsfolge synchronisieren wenn im Resonator zum Beispiel ein nichtlinearer sattigbarer Absorber vorhanden ist Die Wiederholfrequenz mit der die Pulse in einem solchen Laser erzeugt werden hangt u a bei der instantanen Kerr Linsen Modenkopplung englisch Kerr lens mode locking ein Verfahren zur Erzeugung einer stabilen Pulsfolge von Pulsen geringer Dauer von der Resonatorlange ab Bei einem Resonator mit einer Lange von einem halben Meter betragt diese etwa 300 MHz die Periodendauer entspricht einem Hin und Herlaufen Umlauf des Pulses im Resonator Die Spitzenleistung wird bei jedem Umlauf grosser die Pulsdauer bleibt von allein sehr gering Aus solchen Pulslasern werden zum Beispiel einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstarkt Mit weiteren Massnahmen gelingt es Spitzenleistungen bis in den Petawatt Bereich zu erzeugen die nur im Vakuum ungestort ubertragen und fokussiert werden konnen Luft wird von der hohen elektrischen Feldstarke des Lichts ionisiert Die Gutemodulation Q switching des Resonators mit akustooptischen Guteschaltern oder Pockelszellen sind weitere Techniken zur Erzeugung energiereicher Laserpulse mit geringer Dauer Dabei wird die stimulierte Emission zunachst unterbunden um sie dann bei inzwischen durch das Pumpen gestiegener Besetzungsinversion hohe im aktiven Medium gespeicherte Energie schlagartig zu ermoglichen Einteilung anhand des Lasermediums Bearbeiten Hauptartikel Liste der Lasertypen Grobe Einteilung von Lasertypen Laser Gas Farbstoff Ionen Metalldampf neutrales Nichtmetall Festkorper Halbleiter Farbzentrum Dotierte Nichtleiter Ubersicht uber Wellenlangen von im Handel erhaltlichen Lasern Lasertypen mit diskreten Laserlinien sind oberhalb der Leiste der Wellenlangen eingetragen Die Farbe gibt die Art des Lasermaterials an Laser werden oftmals anhand der Eigenschaften des eingesetzten optischen Lasermediums kategorisiert und benannt Die grobste Einteilung erfolgt dabei anhand des Aggregatzustandes Wichtige Gaslaser sind beispielsweise der bei 632 8 nm emittierende Helium Neon Laser und der bei 10 6 mm emittierende Kohlendioxidlaser Spezielle Klassen der Gaslaser sind Excimerlaser bei denen das Lasermedium ein Excimer Molekul ist und Metalldampflaser bei denen das gasformige Lasermedium zuerst durch Verdampfen von Metall gewonnen werden muss Laser mit flussigem Lasermedium werden als Farbstofflaser bezeichnet Diese Laser kennzeichnen sich durch eine sehr grosse kontinuierliche und abstimmbare Bandbreite an Wellenlangen Bei den eingesetzten Farbstoffen handelt es sich in vielen Fallen um Stilbene Cumarine und Rhodamine Die Gruppe der Festkorperlaser beinhaltet Laser deren Lasermedium Kristalle sind Dabei kann es sich unter anderem um dotiertes Glas Yttrium Aluminium Granat und andere Wirtskristalle oder Halbleiter handeln Wichtige Beispiele sind der Nd YAG Laser die Laserdiode und der Titan Saphir Laser Haufig verwendete Dotanden sind Titan Chrom und Neodym Fur die Form der Festkorper existieren viele Moglichkeiten wie z B der Stablaser Slablaser Faserlaser und der Scheibenlaser Eine besondere Form der Festkorperlaser sind die Farbzentrenlaser die ahnlich funktionieren aber Farbzentren zur Erzeugung der Laserubergange nutzen Eine besondere Form ist der Freie Elektronen Laser FEL Er ist eine Synchrotronstrahlungsquelle die gerichtete Strahlung im Mikrowellenbereich bis in den Rontgenbereich emittiert Ein FEL ist allerdings kein Laser im eigentlichen Sinne da die Strahlung nicht durch stimulierte Emission in einem Lasermedium erzeugt wird Anwendungen Bearbeiten Eine Laserharfe Laserbeschriftetes Schaltkreis Gehause aus Keramik Zeichenhohe ca 1 34 mm Laser am Paranal Observatorium Laser werden in sehr vielen Lebens und Arbeitsbereichen Forschungs und Industriezweigen und medizinischen Aufgabenfeldern verwendet Folgende Abschnitte geben einen groben Uberblick uber die wichtigsten Einsatzgebiete der Lasertechnik Alltag und Unterhaltung Bearbeiten Laser haben Einzug in vielen Bereichen des taglichen Lebens gefunden In jedem Laserdrucker und allen optischen Laufwerken wie beispielsweise CD DVD und Blu ray Disc Spieler befinden sich Laserdioden Laserpointer enthalten schwache Laser mit sichtbaren Wellenlangen In Diskotheken und Lasershows werden Laser mit bis zu mehreren Watt Ausgangsleistung zu Lichteffekten eingesetzt Bei der sogenannten Laserharfe wird ein aufgefacherter Laserstrahl als Eingabegerat zum Ansteuern von Musikinstrumenten benutzt In Planetarien werden Laser vereinzelt als Projektoren eingesetzt Eine Variante ist der All Dome Laser Image Projector wie er zum Beispiel im Planetarium Jena verwendet wird In Barcodelesegeraten werden teilweise Laser zum Abtasten der Strichcodes verwendet Datengewinnung und ubertragung Bearbeiten Ein bedeutendes Einsatzgebiet von Diodenlasern und Faserlasern ist die Datenubertragung mittels Lichtwellenleitern Der optische Richtfunk ist zwar moglich aber wegen der Storanfalligkeit wenig verbreitet Die Datenubertragung zwischen Satelliten oder Raumfahrzeugen mittels Laser ermoglicht aufgrund der hoheren Frequenz eine weit hohere Datenrate als die bisher ublichen Radiowellen Insbesondere als Relais wurde die Technik bisher eingesetzt beispielsweise von Artemis Die Kommunikation zur Erde mit Laser ist durch die Atmosphare behindert Die zugehorige Technologie befindet sich noch in der Erprobungsphase konnte aber in Zukunft eine grossere Rolle spielen Weitere Anwendungen sind die Holografie und das Laserscanning zur Objektvermessung oder in Nivelliergeraten Industrie und Materialbearbeitung Bearbeiten In der Industrie und der Fertigungstechnik werden Laser fur verschiedene Fertigungsverfahren DIN 8580 eingesetzt Sie werden hierzu an einer Laserbearbeitungsmaschine oder einem Laserscanner betrieben Laser eignen sich zum Umformen Trennen Fugen Beschichten und Andern von Stoffeigenschaften verschiedener Materialien wie Holz Kunststoff Papier und Metallen Zu den wichtigsten Verfahren gehoren das Lasersintern die Stereolithografie das Laserstrahlbiegen und laserunterstutzte Biegen das Laserschneiden und bohren die Laserablation das Lasertrimmen Laserstrahlschweissen auftragschweissen und loten die Laserbeschriftung das Laserspritzen und Laserstrahlverdampfen das Laserpolieren Weiterhin konnen mit Lasern Strukturen im Mikrometer und Submikrometerbereich auf fotosensitive Materialien geschrieben werden Mittels mikrofotolithografischer Systeme werden im Direktschreibverfahren hochaufgeloste Vorlagen Masken fur verschiedene Anwendungen erzeugt die z B mittels breitbandiger Hochleistungslaser in der Produktion auf die endgultigen Materialien umkopiert werden Andere Anwendungen schliessen das Direktschreiben von Strukturen auf Silizium Wafern in niedrigen Stuckzahlen oder das Schreiben von Strukturen auf fotoempfindlichen Filmen z B Dehnungssensoren ein Auf diese Weise lassen sich Bildschirmmasken Leiterplatten integrierte Schaltkreise und Sensoren herstellen Medizin Bearbeiten In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsachlich in der Diagnose eingesetzt z B bei der Messung von Blutstrom Flowmetrie und zirkulation Es existieren auch Low Level Lasertherapiegerate zur Wund und Schmerzbehandlung In der Augenheilkunde wird Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlangen eingesetzt wobei Wellenlange Einwirkzeit Expositionszeit und Energie die physikalische Reaktion und Eindringtiefe beeinflussen Der Argon Laser wird genutzt um mit seinen thermischen Effekten Koagulation z B bei diabetischer Retinopathie Thrombosen deren Gefassneubildungen zu verhindern oder Retinopexie Verschweissung von Gewebeschichten bei Netzhautloch oder Netzhautablosung durchzufuhren Der Neodym YAG Laser und femto LASER verursacht durch den hervorgerufenen hochenergetischen ultrakurzen Suprapuls eine prazise eng umschriebene Gewebezerreissung Photodisruption und der Excimer Laser durch das ihm eigene Phanomen der Gewebeverdunstung Photoablation Sublimation eine Umgestaltung der Hornhaut Oberflache z B PRK oder LASIK zur Beseitigung der Fehlsichtigkeit Die Femtosekundenlaser Kataraktoperation ist eine neue Methode in der Chirurgie des Grauen Stars Katarakt die bei einigen wichtigen Schritten wahrend dieses Eingriffs von besonders hoher Prazision ist 10 Daruber hinaus sind mit dem Laser dreidimensionale bildgebende Verfahren moglich wie optische Coherenz Tomographie OCT oder online Pachymetrie optische Pfadmessung und Fotodokumentation aller Augenstrukturen mit einer Auflosung im Mikrometerbereich In der Chirurgie Gefasschirurgie und Phlebologie wird der Laser hauptsachlich im Bereich Endoskopie oder als Laserskalpell eingesetzt Eine weitere Anwendung ist die Behandlung von defekten Venen Krampfadern Hierbei kann der Laser endovenos Laser Lichtleiter wird in die Vene eingebracht angewendet werden Dieses Laser Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch Stripping Die Laser Behandlung ist in vielen Fallen schonender und ambulant durchfuhrbar In der Dermatologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verodungen durchfuhren Blutgefasse konnen durch Laser bestimmter Wellenlangen koaguliert werden Pigmentflecken konnen mit Hilfe ablatierender schalender Laser abgetragen oder selektiv zerstort werden Subkutanes unter der Haut gelegenes Pigment kann mit Hilfe eines ultrakurz gepulsten Lasers zerstort und damit entfernt werden ohne die Hautoberflache stark zu verletzen Durch Verwendung von langgepulsten Lasern konnen Haarwurzeln durch Epilation dauerhaft zerstort werden Laser werden auch zur gezielten Behandlung entzundlicher Hauterkrankungen vorrangig der Psoriasis Schuppenflechte eingesetzt Oberflachliche Unebenheiten der Haut Knotchen Faltchen werden mit zur kosmetischen Verbesserung des Hautbildes geglattet Resurfacing Durch Laserlicht konnen auch selektiv dermale Anteile erwarmt werden was in erster Linie dem Kollagenaufbau zur Straffung der Haut dienen soll Subsurfacing In der Hals Nasen Ohren Heilkunde werden Laser zur Abtragung von Veranderungen an den Stimmbandern bei der Mikrolaryngoskopie verwendet ausserdem zur Teilabtragung der Mandeln Tonsillotomie und von Tumoren in Mund und Rachen z B beim Zungenkarzinom Bei der Operation wegen Otosklerose werden Laser zur Perforation der Steigbugel Fussplatte verwendet In der Zahnmedizin konnen Laser fur den Abtrag von Zahnhartsubstanz Bohren ohne Bohrer oder in der Parodontologie Keimreduktion und Konkremententfernung in entzundeten Zahnfleischtaschen verwendet werden Diodenlaser werden in der Zahnmedizin fur chirurgische Eingriffe z B Lippenbandchenentfernung fur die Keimreduktion in der Endodontie Wurzelkanalbehandlung oder fur die Zahnaufhellung Bleaching verwendet Vorteile der Laserbehandlung gegenuber der konventionellen Methode sind dass der Patient weniger Schmerzen hat die Setzung von Nahten teilweise uberflussig wird es weniger blutet da die Wunde verodet ist und die behandelte Stelle gleichzeitig dekontaminiert keimfrei wird Zum Teil sind allerdings bessere Studien mit einem hoheren Evidenzgrad erforderlich um den Nutzen des Lasers einzuschatzen 11 In der Krebstherapie wird er fur die photodynamische Therapie eingesetzt in der Urologie zur Behandlung von Nieren und Harnleitersteinen und der Prostata Die Lasermikrodissektion ist ein Verfahren zur Gewinnung von kleinsten Proben aus Gewebsschnitten oder Zellkulturen Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen u a die Versuche Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen Die Sicherheitsbestimmungen fur medizinisch genutzte Laser werden in der EN 60601 2 22 behandelt Mess und Steuerungstechnik Bearbeiten Eine Reihe von prazisen Messgeraten fur Entfernungen und andere Grossen funktionieren mit Lasern Sie werden beispielsweise beim Tunnelbau im Bauwesen und zur Vermessung der Maschinengeometrie bei Werkzeugmaschinen und Anlagen verwendet Weitere Messgerate die auf Lasern beruhen sind Koharenzradar optische Abstandsmessungen per Light detection and ranging Lidar und Laserpistolen lasergestutzte Brandmelder elektronische Specklemuster Interferometrie ESPI zur Formerfassung Lasermikrofone Laserextensometer Laser Doppler Anemometrie und Particle Image Velocimetry zur Messung von Stromungsgeschwindigkeiten Laser Doppler Vibrometer zur beruhrungsfreien Schwingungsmessung Laser surface velocimeter Laser Wolkenhohenmesser in der Meteorologie und Laserkreisel Energietechnik Bearbeiten Laser konnen zur Uran Anreicherung zwecks Gewinnung von Kernbrennstoff verwendet werden Militar Bearbeiten Beim Militar und in der Rustungsindustrie werden Laser wie im Alltag zur Kommunikation und zu Messzwecken eingesetzt aber zusatzlich auch als Waffen oder waffenunterstutzende Technik verwendet Dazu zahlen Zielhilfen fur lasergelenkte Bomben und Raketen sowie zur Erzeugung von Zielmarkierungen an Handfeuerwaffen beispielsweise an der AM180 Lasergewehre zum vorubergehenden Blenden 12 und Hochenergielaser zur Raketenabwehr Laserkanonen siehe auch Energiewaffe und Weltraumwaffe Hochleistungs Laseranlagen im Wellenlangenbereich um 1 Mikrometer dienen als Treiber in Anlagen zur Tragheitsfusion wie beispielsweise der National Ignition Facility 2014 wurde von der US Navy die erste Laserwaffe englisch Laser Weapon System kurz LaWS auf der USS Ponce in Betrieb genommen In veroffentlichten Videos wird die Waffe an unbemannten Flugobjekten und Schlauchbooten getestet die nach kurzer Zeit anfangen zu brennen 2018 wurde die russische Laserwaffe Pereswet in Dienst gestellt die Drohnen Flugzeuge und Raketen bekampfen soll Wissenschaft und Forschung Bearbeiten In der modernen Forschung der Physik Chemie und Biologie und ihrer jeweiligen Teilgebiete sind Laser eines der wichtigsten Hilfsmittel In der Laserspektroskopie werden Laser zur Laserkuhlung und Bestimmung von Energieniveaus in Atomen und Molekulen zur Dichtemessung in Gasen und Plasmen oder zur Bestimmung von Materialeigenschaften eingesetzt Spezielle laserspektroskopische Verfahren sind beispielsweise die Atomspektroskopie die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy die Raman Spektroskopie und die nichtlineare Raman Spektroskopie Effekte wie sie die nichtlineare Optik vorhersagt konnen nur mit Lasern erzielt werden Isotopentrennungen wie AVLIS und MLIS sind ebenfalls nur mit Lasern moglich In der Geodasie dienen Laser zur Vermessung der Erde und der Plattentektonik beispielsweise mittels Tachymeter Lasertracker Kanallaser Satellite Laser Ranging und LaserDisto Die optische Pinzette und das Zwei Photonen Mikroskop sind Anwendungen der Zellforschung In der Astronomie werden Laser zur genauen Justierung optischer Bauteile und Instrumente sowie zur Beobachtung von Raumobjekten eingesetzt Dazu zahlen Laserteleskope Laser Theodoliten und Zielfernrohre sowie die Vermessung der Mondbewegung mittels Lunar Laser Ranging In der superauflosenden Mikroskopie mit dem STED Mikroskop fur die Stefan Hell im Jahr 2014 mit anderen den Nobelpreis fur Chemie erhielt werden zwei konfokale Laserstrahlen eingesetzt um Bereiche von nur wenigen Atom Durchmessern abrastern zu konnen Homogenisierung Bearbeiten In manchen Anwendungen ist ein raumlich homogenes Profil notig Der Laserstrahl kann dann homogenisiert werden zum Zwecke der Schaffung einer moglichst ebenmassigen Intensitatsverteilung der Laserstrahlung uber den gesamten Bearbeitungsfleck 13 Ein anfanglich zum Beispiel vorliegendes Gauss Profil der Intensitatsverteilung soll dabei in ein fast Rechteckprofil mit moglichst geringer Inhomogenitat uberfuhrt werden Haufiger mochte man jedoch unregelmassige und instabile Strahlprofile homogenisieren Das Ziel ist die gleichmassige Ausleuchtung einer Flache zum Beispiel zur Warmebehandlung Gefahren BearbeitenGefahren fur die Gesundheit Bearbeiten Warnzeichen vor Laserstrahlen nach DIN EN ISO 7010 Laser konnen aufgrund der Eigenschaften ihrer Strahlung und aufgrund ihrer z T extrem konzentrierten elektromagnetischen Leistung biologische Schaden verursachen Daher sind Laser je nach Laserklasse mit genormten Warnhinweisen zu versehen Dabei werden Bereiche der Wellenlangen und Einwirkzeiten unterschieden die zu charakteristischen Verletzungen und Verletzungs Schwellwerten der Leistungs oder Energiedichte fuhren Anwender und Anlagenbauer mussen direkte indirekte unbeabsichtigt gerichtet reflektierte und Streustrahlung unbeabsichtigt diffus reflektierte hinsichtlich dieser Grenzwerte berucksichtigen Mogliche Schaden Bei der medizinischen Anwendung von Lasern kann es zur Entzundung vorhandener oder gebildeter Gase kommen Laser im Ultraviolettbereich verursachen neben den genannten Schaden auch fotochemische Veranderungen des Gewebes Dazu gehoren Erscheinungen ahnlich einem Sonnenbrand mit dem Risiko einer Krebsentstehung sowie Trubungen der Hornhaut der Augenlinse und des Glaskorpers Bei der Lasermaterialbearbeitung entstehen durch Pyrolyse und Verdampfung teilweise hochgiftige Gase Staube und Aerosole die abgesaugt und gefiltert werden mussen Laserstrahlen im Nahinfrarot Bereich um 1000 nm oder deren Streustrahlung dringen tief unter die Haut vor und konnen im Unterhautgewebe schmerzlose schlecht heilende Verbrennungen verursachen Verbrennungen im Auge Bereits bei relativ geringen Leistungen wenige Milliwatt einer Wellenlange fur die das Auge transparent ist etwa 350 bis 1200 nm treten im ungeschutzten Auge partielle Erblindungen durch Netzhautschaden auf da der parallele Laserstrahl durch die Augenlinse auf der Netzhaut fokussiert wird Auch Streustrahlung starkerer Laser dieses Wellenlangenbereiches ist gefahrlich Schaden werden oft nicht bemerkt sondern erst vom Augenarzt entdeckt Verbrennung von Auge und Haut Treffen Laserstrahlen oder deren Streustrahlung einer Wellenlange fur die Haut und Hornhaut nicht transparent sind ab etwa gt 1400 nm auf kommt es bei entsprechender Leistungsdichte zu oberflachlichen Verbrennungen oder Verkohlungen Die Gefahrdung durch Laserstrahlung an Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung wird oft nach der Maschinenrichtlinie beurteilt und ergibt auf dem Risikograph meistens die bisherige Kategorie 4 beziehungsweise die Sicherheitsanforderungsstufe 3 auch Sicherheits Integritatslevel 3 kurz SIL 3 Sachschaden Bearbeiten Laserstrahlen konnen bei ausreichender Leistung oder Fokussierung Brande und Explosionen auslosen Hochbrillante Laser zur Materialbearbeitung konnen bei Versagen der Steuerung zum Beispiel eines Roboters auch an weit ausserhalb ihrer Fokusebene liegenden Bauteilen oder Wandungen Schaden verursachen Gefahren Pravention Bearbeiten Jede Einrichtung in Deutschland die Laser ab der Klasse 3R benutzt muss eine unterwiesene Person einen Laserschutzbeauftragten benennen der die die Gefahren und die sichere Verwendung von Lasern kennt und uberwacht Die vollstandige Abschirmung der Strahlung der Laser mittels einer Umhausung der Maschine oder des Experimentes ist oft nicht moglich Zugangsturen mussen daher elektrisch uberwacht oder zugehalten werden solange der Laser gefahrliche Strahlung abgeben kann Auch Lichtgitter konnen zur Absperrung angewendet werden wenn die Streustrahlung ausreichend gering ist Beobachtungsfenster und Schutzbrillen erlauben bei geringer Streustrahlung oft eine Beobachtung wahrend der Laser eingeschaltet ist und bestehen aus Filtermaterialien die fur sichtbare Wellenlangen zumindest teilweise transparent fur die spezielle Laserwellenlange jedoch intransparent sind Laserklassen BearbeitenLasergerate werden entsprechend der schadlichen biologischen Wirkung von Laserstrahlung in Klassen eingeteilt Massgeblich fur die nationalen und internationalen Laserklassen ist dabei die Definition von Grenzwerten bei denen keine Schadigung zu erwarten ist Neben der amerikanischen ANSI Norm gibt die International Commission on Non Ionizing Radiation Protection Grenzwerte im Spektralbereich zwischen 400 und 1400 nm heraus 14 Massgeblich ist bei nichtionisierender Strahlung die thermische Leistung pro Flache sowie die spezifischen wellenlangenabhangigen Absorptionseigenschaften des Gewebes Haut sowie Retina Hornhaut Glaskorper und Linse des Auges Durch die Fokussierung der Augenlinse ist die Gefahrlichkeit im sichtbaren und besonders im angrenzenden infraroten Bereich erhoht Oberhalb von 1 4 µm Wellenlange wird die Strahlung grossflachig in der Hornhaut absorbiert Sie bietet einen Schutz fur die Retina des Auges Jedoch reduziert sich die Absorptionstiefe auf weniger als 0 1 mm bei 3 µm Wellenlange weshalb es zu Schaden in der Hornhaut kommen kann Aus diesem Grund heisst der Wellenlangenbereich von 1 5 bis 2 µm augensicher englisch eye safe Unterhalb 1 4 µm sind Hornhaut Haut und darunter liegendes Gewebe im Bereich 1200 nm Nahinfrarot bis rot 700 nm teiltransparent sodass hier tiefreichende Schadigungen auftreten konnen deren Entstehung aufgrund dort nicht vorhandenen Warmeempfindens oft nicht bemerkt werden Auch Netzhautschaden durch Laser Strahlung im Nahinfrarot werden oft nicht bemerkt und erst durch fur entsprechende Arbeitsplatze vorgesehene arztliche Augenuntersuchungen entdeckt Bei Wellenlangen unterhalb von etwa 400 nm werden organische Molekulbindungen zerstort die Absorptionstiefe im Gewebe verlagert sich mit kurzerer Wellenlange an die Oberflache von Haut und Auge Es treten auch bei geringen thermischen Leistungsdichten Linsen und Hornhauttrubungen sowie Schadigungen der Haut vergleichbar einem Sonnenbrand auf Dementsprechend sind die Grenzwerte der Leistungsdichte bei diesen kurzen Wellenlangen geringer als beispielsweise im mittleren Infrarot Die Klasseneinteilung von Lasergeraten und anlagen erfolgt anhand maximal auftretender Leistungs bzw Energiedichten je nachdem ob es sich um kontinuierliche oder Pulslaser handelt Dabei ist auch die Expositionsdauer und die Wellenlange massgebend Klassifizierung nach DIN EN 60825 1 Bearbeiten Maximale cw Leistungen fur Laser der Klassen 1 2 3R und 3B gemass EN 60825 1 2007 Die angegebenen Leistungen gelten nur fur punktformige Quellen und stark kollimierte Laserstrahlung Bei ausgedehnten Quellen und divergenter Strahlung sind hohere Leistungen zulassig Ein vorschriftsgemass nach EN 60825 1 klassifizierter Laser Entsprechend der Gefahrlichkeit fur den Menschen sind die Laser in Gerateklassen eingeteilt Die Klassifizierung nach DIN EN 60825 1 erfolgt vom Hersteller Die alte Klassifizierung nach DIN VDE 0837 unten darf fur neue Laser nicht mehr verwendet werden Klasse Beschreibung1 Die zugangliche Laserstrahlung ist ungefahrlich oder der Laser befindet sich in einem geschlossenen Gehause1C Die zugangliche Laserstrahlung ist ungefahrlich fur das Auge aber in besonderen Fallen gefahrlich fur die Haut 15 1M Die zugangliche Laserstrahlung ist ungefahrlich solange keine optischen Instrumente wie Lupen oder Fernglaser verwendet werden 2 Die zugangliche Laserstrahlung liegt nur im sichtbaren Spektralbereich 400 nm bis 700 nm Sie ist bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer bis 0 25 s auch fur das Auge ungefahrlich 2M Wie Klasse 2 solange keine optischen Instrumente wie Lupen oder Fernglaser verwendet werden 3R Die zugangliche Laserstrahlung ist gefahrlich fur das Auge 3B Die zugangliche Laserstrahlung ist gefahrlich fur das Auge und in besonderen Fallen auch fur die Haut Diffuses Streulicht ist in der Regel ungefahrlich Laser von CD DVD Brennern Laserstrahlung allerdings nicht direkt zuganglich 4 Die zugangliche Laserstrahlung ist sehr gefahrlich fur das Auge und gefahrlich fur die Haut Auch diffus gestreute Strahlung kann gefahrlich sein Beim Einsatz dieser Laserstrahlung besteht Brand oder Explosionsgefahr Materialbearbeitung Forschungslaser Anmerkung zu Laserklasse 2 und 2M Eine wissenschaftliche Untersuchung 16 ergab dass der Lidschlussreflex dieser tritt innerhalb 0 25 s auf eine langere Bestrahlung schadigt das Auge nur bei ca 20 der Testpersonen gegeben war Vom Vorhandensein des Lidschlussreflexes kann daher nicht als Regelfall ausgegangen werden Anmerkung zur Leistung Bei Lasern die ausgedehnte Lichtquellen darstellen und oder divergente Strahlung abgeben konnen weit hohere Leistungen zulassig sein als bei kollimierten Lasern derselben Klasse So wird z B auf Seite 67 von EN 60825 1 2007 das Beispiel B 3 2 angegeben bei dem eine stark divergente 12 mW Laserdiode Wellenlange 900 nm nach Klasse 1M klassifiziert wird Klassifizierung nach DIN VDE 0837 Bearbeiten Bis Marz 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDE 0837 Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebrauchlich Klasse Beschreibung1 entspricht der Klasse 1 nach EN 60825 12 entspricht der Klasse 2 nach EN 60825 1 Laser dieser Klasse werden unter Umstanden heute in 1M eingestuft 3a Die zugangliche Laserstrahlung wird fur das Auge gefahrlich wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird Ist dieses nicht der Fall ist die ausgesandte Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich 400 nm bis 700 nm bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer bis 0 25 s in den anderen Spektralbereichen auch bei Langzeitbestrahlung ungefahrlich Je nach Wellenlange werden diese Laser heute meistens in Klasse 2M oder 3R eingestuft 3b entspricht der Klasse 3B nach EN 60825 14 entspricht der Klasse 4 nach EN 60825 1Literatur BearbeitenFritz Kurt Kneubuhl Markus Werner Sigrist Laser 7 Auflage Teubner Wiesbaden 2008 ISBN 3 8351 0145 5 Jurgen Eichler Hans Joachim Eichler Laser Bauformen Strahlfuhrung Anwendungen 7 Auflage Berlin Heidelberg Springer 2010 ISBN 3 642 10461 4 Jeff Hecht Beam The Race to Make the Laser Oxford UP 2005 Anthony E Siegman Lasers University Science Books Mill Valley CA 1986 ISBN 0 935702 11 3 William T Silfvast Laser Fundamentals 2 Auflage Cambridge University Press Cambridge 2004 ISBN 0 521 83345 0 Axel Donges Physikalische Grundlagen der Lasertechnik Shaker Aachen 2007 ISBN 978 3 8322 6392 8 Charles H Townes How the Laser Happened Oxford University Press New York Oxford 1999 ISBN 0 19 512268 2 Ute Mauch Lasermedizin In Werner E Gerabek Bernhard D Haage Gundolf Keil Wolfgang Wegner Hrsg Enzyklopadie Medizingeschichte De Gruyter Berlin New York 2005 ISBN 3 11 015714 4 S 827 f Weblinks Bearbeiten Commons Laser Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Wiktionary Laser Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Laser in der Encyclopedia of Laser Physics and Technology engl Verschiedene Typen von Halbleiterlasern Ubersicht der verfugbaren Wellenlangen von Halbleiterlasern Sam s Laser FAQ Sammlung technischer Dokumentationen und Reparaturanleitungen engl LaserFest Website der American Physical Society anlasslich des 50 Jubilaums des Lasers engl Laser Licht in Formation Video zum Laser auf Youtube eingestellt von der Max Planck Gesellschaft Video Was ist ein Laser Leibniz Universitat Hannover 2011 zur Verfugung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek TIB doi 10 5446 393 Siehe auch BearbeitenListe der LasertypenEinzelnachweise Bearbeiten a b c d e f g Patrick Voss de Haan Laser In spektrum de 1998 abgerufen am 7 November 2019 F K Kneubuhl M W Sigrist Laser 3 Auflage Teubner 1991 S 4 T H Maiman Stimulated Optical Radiation in Ruby In Nature 187 4736 1960 S 493 494 R G Gould The LASER light amplification by stimulated emission of radiation In The Ann Arbor Conference on Optical Pumping 1959 A Javan W R Bennet D R Herriot Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He Ne Mixture In Phys Rev Lett 6 1961 S 106 110 J Eichler H J Eichler Laser Bauformen Strahlfuhrungen Anwendungen 7 Auflage Springer Verlag 2010 S 275 Gleichung 13 31 T Graf Laser Grundlagen der Laserstrahlquellen 1 Auflage Vieweg Teubner 2009 S 189ff a b M Pollnau M Eichhorn Spectral coherence Part I Passive resonator linewidth fundamental laser linewidth and Schawlow Townes approximation In Progress in Quantum Electronics In press Nr Journal Pre proof 2020 S 100255 doi 10 1016 j pquantelec 2020 100255 A L Schawlow C H Townes Infrared and optical masers In Physical Review 112 Nr 6 1958 S 1940 1949 doi 10 1103 PhysRev 112 1940 Burkhard Dick Ronald D Gerste Tim Schultz Femtosecond Laser in Ophthalmology Thieme New York 2018 ISBN 978 1 62623 236 5 Metastudie der Cochrane Library Non Lethal Ocular Disruptor gruner Blendlaser In alfalight com PDF Homogenisierung von Laserstrahlen PDF 567 kB Revision of Guidelines on Limits of Exposure to Laser Radiation of Wavelengths between 400 nm and 1 4 mm PDF 1 7 MB International Commission on Non Ionizing Radiation Protection 30 Marz 2000 abgerufen am 14 Dezember 2017 englisch Deutsches Institut fur Normung e V DIN EN 60825 1 VDE 0837 1 2015 07 Hrsg DIN und VDE Berichtigung 3 Auflage Beuth 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