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2015 | Buch

Laser

Bauformen, Strahlführung, Anwendungen

verfasst von: Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Diese grundlegende Einführung in die Physik und Technik der Laser informiert über

- Funktion, Bauformen und Emissionseigenschaften der Laser,

- Lasertypen, optische Komponenten und Strahlführung,

- Anwendungen in Materialbearbeitung, Medizin und Messtechnik.

Die 8. Auflage dieses etablierten Lehrbuchs berücksichtigt neueste Entwicklungen: Hochleistungsdioden- und Festkörperlaser für ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung, Faserlaser zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse und Röntgenstrahlung aus Freie-Elektronen-Lasern, sowie Anwendungen in der Laserchirurgie, medizinischen Diagnostik und Biophotonik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Licht, Atome, Moleküle, Festkörper
Zusammenfassung
Seit der experimentellen Realisierung der ersten Lasersysteme, des Rubin-Lasers im Jahre 1960 und des Helium-Neon-Lasers im Jahre 1961, sind eine Fülle verschiedener weiterer Systeme entwickelt worden. In diesem Buch werden zunächst die allgemeinen physikalischen Grundlagen der Lasertechnik sowie anschließend der Aufbau der wichtigsten Lasertypen, Gas-, Festkörper- und Halbleiterlaser, und elektrooptischer Bauelemente beschrieben. Gegenüber konventionellen Lichtquellen (Glüh- und Gasentladungslampen) zeichnen sich Laser durch starke Bündelung (geringe Divergenz), geringe spektrale Linienbreite (Monochromasie, Kohärenz), hohe Intensität und die Möglichkeit, kurze Pulse zu erzeugen, aus. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungen, z. B. in der Messtechnik, Holographie, Medizin, Materialbearbeitung und in der Nachrichtenübertragung. Diese Anwendungen werden ebenfalls im Überblick dargestellt.
Im folgenden Abschnitt werden zunächst einige zum Verständnis von Lasern notwendige Grundlagen behandelt, insbesondere Eigenschaften von Licht und die Energiezustände von Atomen, Molekülen und Festkörpern, die Laserstrahlung emittieren können.
Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler
2. Absorption und Emission von Licht
Zusammenfassung
Nachdem im ersten Kapitel grundlegende Eigenschaften von Atomen, Molekülen, Festkörpern und Halbleitern behandelt wurden, soll im folgenden die Wechselwirkung von Licht mit Materie dargestellt werden. Spezielle Arten der Wechselwirkung sind die Absorption von Licht aber auch die Emission und die Lichtverstärkung, welche die Grundlagen des Lasers bilden.
Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler
3. Lasertypen
Zusammenfassung
Das Kunstwort „Laser“ bedeutet „light amplification by stimulated emission of radiation“ und beschreibt den grundlegenden Prozess der „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission“, der zur Entstehung der Laserstrahlung führt. Die stimulierte Emission ist bereits um 1905 von Einstein zur Erklärung des Planckschen Strahlungsgesetzes postuliert worden. Erst im Jahre 1960 gelang es Maiman, diesen Prozess zur Erzeugung kohärenten Lichtes auszunutzen. Die bis dahin gebräuchlichen Strahlungsquellen, Sonne, Glüh- und Gasentladungslampen senden Licht in alle Raumrichtungen mit relativ unbestimmten Frequenzen aus, während der Laser im Gegensatz dazu einen gut gebündelten Strahl mit hoher Frequenzschärfe emittiert.
Die ungerichtete Strahlung konventioneller Lichtquellen ist eine Folge der statistischen spontanen Emission der angeregten Atome der Quelle. Bei einem Laser wird im Gegensatz dazu durch die induzierte Emission die Lichtausstrahlung der Atome gekoppelt, so dass eine etwa ebene Lichtwelle mit einer genau definierten Frequenz entsteht. Die Ausbreitungsrichtung dieser Welle wird durch zwei Spiegel gegeben, die entlang der Längsachse des Lasermaterials parallel angeordnet sind und einen so genannten optischen Resonator bilden.
Bis heute sind etwa zehntausend verschiedene Laserübergänge bekannt, die Strahlung im Wellenlängenbereich von unter 0,01 µm bis über 1000 µm erzeugen und damit die Spektralgebiete der weichen Röntgenstrahlung, des ultravioletten, sichtbaren und infraroten Lichtes sowie der Millimeterwellen abdecken.
Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler
4. Laserübergänge in Gasen aus neutralen Atomen
Zusammenfassung
Atome emittieren eine Vielzahl von Linien im sichtbaren Spektralbereich. Als Beispiel sei an die Balmer-Serie des Wasserstoffs erinnert (Abb. Abb. 1.5) mit Wellenlängen von 365 bis 656 nm und mehr. Auch wenn H-Atome sich bisher nicht als gutes Lasergas erwiesen haben, so können deren Energieniveauschema und der emittierte, sichtbare Wellenlängenbereich als charakteristisch auch für andere Atome angesehen werden. Ein Grund für die schlechte Eignung von H-Atomen als Lasermedien ist, dass Wasserstoff bei normalen Temperaturen stabile Moleküle \(\mathrm{H_{2}}\) bildet, die in einer Gasentladung erst dissoziiert werden müssten, um ein Gas H-Atome zu erzeugen. Zur Erzeugung sichtbaren Lichtes ist z. B. das Edelgas Neon geeignet, da Ne in atomarer Form vorliegt.
Dies führt zum He-Ne-Laser, wobei das Neon durch Stöße mit He-Atomen angeregt wurde, wonach Laserstrahlung emittiert wird.
Neben den Linien im Sichtbaren emittieren Atome auch ultraviolettes Licht, jedoch enden die entsprechenden Übergänge oft im Grundzustand, der als unteres Laserniveau wegen hoher Besetzung ungeeignet ist. Zum Aufbau von UV-Lasern werden Übergänge in Ionen (Kap. 5) und Molekülen (Kap. 7) verwendet.
Neben der sichtbaren Emission gibt es im Atom zahlreiche infrarote Übergänge. Die emittierten Linien haben jedoch im Vergleich zur Anregungsenergie des oberen Laserniveaus geringe Photonenenergien, so dass der Quantenwirkungsgrad für die Erzeugung von infrarotem Licht klein ist. Besser lässt sich infrarote Emission mit Molekülen, wie in Kap. 6 behandelt, anregen, da bei diesen die lichtemittierenden Zustände nur relativ geringe Abstände zum Grundzustand besitzen.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
5. Ionenlaser
Zusammenfassung
Bei den Ionenlasern handelt es sich um Gasentladungslaser, die den Lasern mit atomaren Gasen ähneln. Ein Ion ist ein Atom, bei dem ein oder mehrere Elektronen meist aus den äußeren Bahnen abgelöst ist. Das Ion ist daher positiv geladen, wobei die Ladung einer oder mehrerer Elementarladungen e entspricht. Die verbleibenden Elektronen können ähnlich wie in einem Atom angeregt werden und emittieren Licht bei dem Übergang in den Grundzustand oder andere angeregte Zustände. Laserübergänge sind ebenfalls wie in Atomen möglich. Da zu jedem Atom mehrere Ionen gehören, ergibt sich durch deren Existenz eine Vielzahl von zusätzlichen Laserlinien.
Ionen werden in jeder Gasentladung durch Stoß von Elektronen, angeregten Atomen oder anderen Ionen mit Atomen erzeugt, die Atome werden „ionisiert“ und Teilchen angeregt, so dass Gasentladungen neben atomaren Übergängen auch Licht durch Elektronenübergänge in Ionen emittieren. In Ionen sind die äußeren Elektronen durch das Kernfeld stark gebunden, so dass sich Zustände mit großen Energiedifferenzen ergeben und Strahlung kürzerer Wellenlänge als mit Atomen möglich wird.
Ionen können außer durch elektrische Entladungen auch in laserinduzierten Plasmen erzeugt werden. Dazu wird der Strahl eines gepulsten Hochleistungslasers z. B. auf ein festes Target fokussiert. Dieses verdampft. Durch die hohe zugeführte Energiedichte werden Elektronen und Ionen gebildet, wobei sehr hohe Ionisierungsgrade erzeugt werden, d. h. viele Elektronen von den Atomen abgelöst werden. Derartige Ionen emittieren kurzwelliges Licht und eignen sich zum Aufbau von Röntgenlasern, worauf in Abschn. 11.2 eingegangen wird.
Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler
6. Infrarot-Moleküllaser
Zusammenfassung
Laserstrahlung im Infraroten wird häufig mit Gaslasern erzeugt, wobei vor allem die Strahlung molekularer Gase ausgenutzt wird. Bei Strahlungsübergängen zwischen Rotationsniveaus eines Moleküls, dessen Schwingungszustand ungeändert bleibt, treten relativ kleine Energiedifferenzen auf. Der entsprechende Wellenlängenbereich liegt zwischen 25 µm und 1 mm. Man spricht in diesem Zusammenhang von Ferninfrarot-Lasern (Abschn. 6.1). Die Energiedifferenzen zwischen Vibrations-Rotations-Niveaus desselben elektronischen Zustandes sind größer. Daher ist die Wellenlänge derartiger Laserstrahlung kleiner; sie liegt zwischen 5 µm und 30 µm (Abschn. 6.2). Besonders weit verbreitet ist der \(\mathrm{CO_{2}}\)-Laser, der eine Wellenlänge von 10 µm emittiert. Finden Laserübergänge zwischen verschiedenen elektronischen Niveaus statt, so liegen die Wellenlängen im sichtbaren und ultravioletten Bereich. Besonders wichtig sind die Stickstoff- und Excimerlaser (Kap. 7).
Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler
7. UV-Moleküllaser
Zusammenfassung
Gepulste Lasertätigkeit im ultravioletten Spektralbereich wird bei Übergängen zwischen Elektronenniveaus in Molekülen erzielt. Dabei werden zweiatomige stabile Moleküle wie \(\mathrm{H_{2}}\), \(\mathrm{N_{2}}\) und Excimere, vor allem Edelgashalogenide, als aktive Medien eingesetzt. Excimere sind Moleküle, die nur kurzzeitig im angeregten Zustand existieren und nach Übergang in den Grundzustand schnell zerfallen. Die stärksten UV-Laserlinien von Molekülen sind in Tab. 7.1 zusammengefasst.
Als kommerzielle Systeme sind Stickstoff- und Excimerlaser erhältlich. Wegen des hohen Wirkungsgrades haben besonders die Edelgashalogenlaser für den ultravioletten Spektralbereich ähnliche technologische Bedeutung erlangt wie die \(\mathrm{CO_{2}}\)-Laser für den infraroten Bereich.
Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler
8. Farbstofflaser
Zusammenfassung
Mit weit über 100 Farbstoffen in wässerigen oder organischen Lösungen (Konzentration im Bereich \(10^{-3}\) Mol/Liter) kann je nach Farbstoff abstimmbare Lasertätigkeit von etwa 300 nm bis über 1 µm erreicht werden. Das Pumpen erfolgt in der Regel optisch, wobei gepulster und kontinuierlicher Betrieb erreicht wird. Der Farbstofflaser findet Anwendungen in der Spektroskopie, Dermatologie, Biologie, Umweltschutz und Analysetechnik. Aufgrund der hohen Bandbreite eignet sich dieser Lasertyp zur Erzeugung ultrakurzer Pulse bis in den Femtosekundenbereich, die zur Untersuchung schneller Prozesse, z. B. der Photosynthese dienen können.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
9. Festkörperlaser
Zusammenfassung
Das aktive Medium der meisten Festkörperlaser besteht aus Kristall- oder Glasstäben von einigen cm Länge oder aus Fasern und Scheibchen, die mit optisch wirksamen Ionen dotiert sind. Dazu werden sogenannte Übergangsmetalle wie Ti, Cr, Co oder seltene Erden wie Nd, Ho, Er, Tm oder Yb verwendet. Die Laserstrahlung entsteht teilweise in inneren ungefüllten Schalen, die durch äußere Schalen weitgehend vom Kristallfeld abgeschirmt sind. Die Übergänge sind dann wie bei freien Atomen schmalbandig, und sie liegen im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich. Daneben existieren auch breitbandige Niveaus, welche zu abstimmbaren Lasern führen.
Bei der Dotierung wird ein Teil (etwa \(10^{-4}\) bis \(10^{-1}\)) der Atome des Wirtsmaterials durch Fremdatome ersetzt. Demnach liegt die Dichte der laseraktiven Teilchen bei etwa \(10^{19}\,\mathrm{cm}^{-3}\), was wesentlich größer als die Dichte in Gaslasern (1015 bis \(10^{17}\,\mathrm{cm}^{-3}\)) ist. Die Anregung erfolgt durch so genanntes optisches Pumpen mit Lampen, Halbleiterlaserdioden oder anderen Lasern. Da die Lebensdauer der oberen Laserniveaus oft lang ist, lassen sich große elektronische Energiemengen in Festkörpern speichern und hohe optische Pulsenergien und -leistungen mit kurzen Pulsdauern extrahieren. Das Wirtsmaterial des Festkörperlasers – Kristall oder Glas – muss gute optische, mechanische und thermische Eigenschaften besitzen, z. B. Schlierenfreiheit, Bruchfestigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Als Kristalle werden Oxide und Fluoride, als Gläser Silikate und Phosphate eingesetzt.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
10. Halbleiterlaser, Diodenlaser
Zusammenfassung
Kurz nach der Realisierung des ersten Lasers überhaupt wurde bereits 1961 über den Halbleiterlaser berichtet. Zunächst wurde nur gepulster Betrieb bei tiefen Temperaturen erreicht, aber später auch kontinuierlicher Betrieb bei Raumtemperatur. Der Halbleiterlaser ist von großem wirtschaftlichen Interesse und wird in großen Stückzahlen in Konsumartikeln wie digitalen Musikrecordern, CD-, DVD und Blu-ray-Massenspeichern für Personalcomputer und in Laserdruckern eingesetzt. Weitere Anwendungen finden sich beispielsweise in der Telekommunikation, Materialbearbeitung und Medizintechnik. Als nachteilig wird manchmal angesehen, dass aufgrund des kleinen Resonatorquerschnitts die Strahlung durch Beugung stark divergent wird. Durch eine geeignete Linse oder Kollimationsoptik können aber auch nahezu parallele Strahlenbündel erzeugt werden. Außerdem ist die Frequenzstabilität einfacher Diodenlaser relativ gering. Es gibt jedoch auch aufwendigere aber kompakte Bauformen, die Licht mit geringer Linienbreite und hoher Frequenzstabilität emittieren. Die Kohärenzlänge kann so z. B. bis auf 30 m erweitert werden, so dass auch der Einsatz in der Holographie möglich ist.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
11. FELs, kohärente Röntgen- und Atomstrahlen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden drei wissenschaftlich interessante Lasertypen beschrieben, die auf unterschiedlichen physikalischen Konzepten beruhen:
  • Freie-Elektronen-Laser (FEL) beruhen auf der Lichtemission von Elektronenstrahlen in einem periodischen Magnetfeld. Damit lässt sich Strahlung im Spektralbereich vom Infraroten bis zum Röntgenlicht erzeugen, was den Emissionsbereich anderer Lasertypen bei weitem übertrifft. Mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH von der Großforschungseinrichtung DESY in Hamburg wurden im Jahre 2007 Wellenlängen bis 6 nm erzeugt.
  • Kohärente XUV- und Röntgenstrahlung kann auch durch stimulierte Emission von Ionen in laserinduzierten Plasmen erzeugt werden. XUV oder EUV bedeutet „extremes UV“ mit Wellenlängen unter 100 nm, während Röntgenstrahlung Wellenlängen von 50 pm bis 10 nm bezeichnet. Die darin befindlichen Ionen hoher Ladungszahl zeichnen sich durch elektronische Zustände hoher Energie aus und bei Übergängen entsteht Röntgenstrahlung. Die kürzesten damit realisierten Wellenlängen liegen bei 4 nm.
  • Im Jahre 1997 wurde erstmals die Erzeugung kohärenter Atomstrahlen realisiert. Dafür wurde ein „atomic laser“ oder „Atomlaser“ benutzt, wobei die Bezeichnung Laser hier nicht ganz korrekt ist, da kein Licht emittiert wird, sondern Atome.
Diese drei Lasertypen sind konzeptionell und auch bezüglich der Strahleigenschaften völlig verschieden und werden hier trotzdem in einem Kapitel dargestellt, um zukünftige Perspektiven aufzuzeigen.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
12. Ausbreitung von Lichtwellen
Zusammenfassung
In der geometrischen Optik wird angenommen, dass sich Licht geradlinig als ein Bündel von Lichtstrahlen ausbreitet. Aufgrund der Welleneigenschaften ergeben sich in der Realität erhebliche Abweichungen von dieser einfachen Vorstellung, insbesondere bei der Ausbreitung seitlich begrenzter Lichtbündel, wie sie von Lasern emittiert werden. Theoretischer Ausgangspunkt für eine genauere Beschreibung der Ausbreitung von Licht ist die Wellengleichung.
Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler
13. Optische Resonatoren
Zusammenfassung
Das in einem Laser zwischen den Spiegeln hin- und herlaufende Licht bildet stehende Wellen, die bestimmte räumliche Verteilungen der elektrischen Feldstärke besitzen. Diese Verteilungen werden Schwingungsformen oder Moden des optischen Resonators genannt.
Für die verschiedenen Moden werden Bezeichnungen der Form \(\mathrm{TEM}_{mnq}\) verwendet als Abkürzung für Wellen mit transversaler elektrischer und magnetischer Feldstärke. Dabei bedeuten m und n die Zahl der Nullstellen der Feldstärkeverteilung auf den Spiegeln in einem rechtwinkligen oder Polar-Koordinatensystem quer zur Laserachse. q gibt die Zahl der Feldstärkemaxima auf der Achse an. Oft interessiert lediglich die transversale Feldstärkeverteilung, beschrieben durch \(\mathrm{TEM}_{mn}\). Durch die Angabe von m und n ist die Intensitätsverteilung über den Querschnitt des Laserstrahls bestimmt. Die Verteilung der Feldstärke in Richtung der Laserachse wird auch axialer oder longitudinaler Mode genannt. Jeder Mode gekennzeichnet durch \(m,n,q\) hat eine andere Lichtfrequenz.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
14. Spiegel und Antireflexschichten
Zusammenfassung
Die einfachsten Laserspiegel bestehen aus polierten Metallen, z. B. Kupfer für \(\mathrm{CO_{2}}\)-Laser, oder Metallschichten für sichtbares Licht, z. B. Gold, Silber, Aluminium auf Glasträgern. Die Reflexion des Lichtes findet an der Oberfläche statt, wobei stets ein Teil des Lichtes in das Metall und das Trägermaterial eindringt und dort absorbiert wird. Teilweise kann Licht auch durch den Spiegel hindurchtreten, was insbesondere für Laserauskoppelspiegel notwendig ist.
Auch an den Grenzflächen von durchsichtigen Stoffen, wie Glas, Wasser und auch an anderen so genannten dielektrischen, d. h. nicht absorbierenden Materialien, wird Licht reflektiert. Der Reflexionsgrad bei senkrechtem Einfall beträgt z. B. an der Grenzfläche Luft-Glas etwa 4 %, kann aber bei streifendem Einfall oder auch bei Totalreflexion auf 100 % anwachsen. Die für die Reflexion und Brechung an einer Grenzfläche gültigen Gesetze werden im folgenden Abschn. 14.1 behandelt.
Durch Stapelung von Schichten aus zwei durchsichtigen Materialien mit unterschiedlicher Brechzahl entsteht eine Folge von Grenzflächen, die zu einer hohen Reflexion bei beliebigem Einfallswinkel führen kann. Derartige dielektrische Vielschichtenspiegel sind für die Lasertechnik von großer Bedeutung, da im Idealfall keine Absorption stattfindet. Die Leistung eines einfallenden Strahls wird somit ohne Verluste auf den reflektierten und durchtretenden Strahl verteilt. Der Aufbau von dielektrischen Vielschichtenspiegeln wird im Abschn. 14.3 dargestellt.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
15. Polarisation
Zusammenfassung
Licht breitet sich im Vakuum und nicht begrenzten isotropen Materialien als eine transversale elektromagnetische Welle aus. Die elektrische und magnetische Feldstärke schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und stehen aufeinander senkrecht. Dieser Schwingungszustand der Feldstärke wird als transversale Polarisation bezeichnet. Eine derartige Lichtwelle ist also nicht symmetrisch gegenüber Drehung um die Ausbreitungsrichtung. Im Gegensatz dazu schwingen bei einer Schallwelle in Luft die Atome in Ausbreitungsrichtung, diese Welle wird als longitudinal polarisiert bezeichnet. Auch bei der Ausbreitung von Licht z. B. in anisotropen, doppelbrechenden Materialien oder in Glasfasern, können longitudinale Feldkomponenten auftreten. Im folgenden sollen nur transversale Lichtwellen im Vakuum und isotropen Materialien ohne wellenleitende Eigenschaften betrachtet werden.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
16. Modulation und Ablenkung
Zusammenfassung
Für viele Laseranwendungen muss der Strahl moduliert oder abgelenkt werden. Neben mechanischen Bauelementen werden dazu hauptsächlich akustooptische oder elektrooptische Verfahren eingesetzt.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
17. Pulsbetrieb
Zusammenfassung
Der erste im Jahre 1960 gebaute Rubinlaser und zahlreiche weitere Laser, z. B. die Excimerlaser, werden gepulst betrieben. Bei anderen Lasern ist gepulster und kontinuierlicher Betrieb möglich, wobei der Pulsbetrieb oft weniger Aufwand erfordert und deshalb zuerst entdeckt worden ist. Außerdem können im Pulsbetrieb momentan wesentlich höhere Lichtleistungen erreicht und damit neuartige optische Effekte beobachtet werden, die zahlreiche interessante wissenschaftliche und technische Anwendungen besitzen.
Die einfachste Art, einen Laser gepulst zu betreiben, ist die gepulste Anregung. Sie bietet sich z. B. bei Festkörperlasern an, die mit dem Licht einer kurzzeitigen Blitzlampenentladung gepumpt werden. Die Laseremission folgt dabei oft nicht dem Anregungspuls, sondern besitzt eine Substruktur. Die Emission ist in Form einzelner Intensitätsspitzen oder Spikes moduliert wie im Abschn. 17.1 diskutiert.
Durch verschiedene Techniken wie Güteschaltung, Pulsauskopplung und Modenkopplung, kann die Dauer der Laseremission gegenüber der Anregungsdauer stark verkürzt werden. Es ist damit möglich, Pulsdauern von wenigen Femtosekunden zu erzeugen und zu Untersuchungen schnell ablaufender Prozesse einzusetzen.
Weitere Impulsverkürzungen, z.B. von TiSa- und Faserlasern, bis zu etwa 1 fs ist durch „chirped pulse amplitication“ möglich. Die kürzesten Pulse von weniger als 0,1 fs = 100 as wurden durch die Erzeugung „Höherer Harmonischer“ in Gasen erreicht, siehe Abschn. 19.7.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
18. Frequenzselektion und -abstimmung
Zusammenfassung
In einem Laserresonator sind im allgemeinen mehrere axiale und transversale Wellenformen (Moden) angeregt. Die Frequenzen oder Wellenlängen dieser Moden können verschiedene Werte im Bereich der Linienbreite des Übergangs (etwa \(1{,}5\cdot 10^{9}\,\mathrm{Hz}\) beim 633 nm He-Ne-Laser, einige \(10^{13}\,\mathrm{Hz}\) oder etwa 50 nm beim Farbstofflaser) annehmen. Durch Verwendung frequenzselektiver Elemente im Resonator kann die Zahl der angeregten Wellenformen und damit der Emissionsbereich des Lasers auf einen kleinen Teil der Linienbreite reduziert werden. Im Grenzfall ist die Anregung einer einzelnen axialen Wellenform möglich. Durch Änderungen an den frequenzselektiven Elementen (z. B. Verkippen eines Prismas, Gitters oder Etalons) kann die Emission eines Lasers im Bereich der Linienbreite kontinuierlich abgestimmt werden.
Andererseits kann auch außerhalb des Lasers eine Frequenzumsetzung unter Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte erreicht werden. Mit derartigen Prozessen kann die Frequenz um diskrete Beträge (Frequenzvervielfachung, Summen- und Differenzfrequenzerzeugung, Raman-Streuung) oder auch kontinuierlich (parametrischer Oszillator, Spin-Flip-Raman-Laser) verschoben werden (Kap. 19).
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
19. Frequenzumsetzung
Zusammenfassung
Der Spektralbereich von Lasern kann durch verschiedene Verfahren der Frequenzumsetzung wesentlich erweitert werden. Von besonderer Bedeutung sind nichtlineare optische Effekte, wie die Frequenzverdopplung und die stimulierte Raman-Streuung. Zunächst soll der Doppler-Effekt zur Erzeugung kleiner Frequenzänderungen z. B. für messtechnische Anwendungen behandelt werden.
Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler
20. Stabilität und Kohärenz
Zusammenfassung
Die Eigenschaften von Laserstrahlen, wie Frequenz, Leistung, Strahlprofil, Richtung, Polarisation, sind nicht stabil, sondern schwanken, was sich störend auf viele Anwendungen auswirkt. Beispielsweise führen Schwankungen der Frequenz oder Wellenlänge von He-Ne-Lasern zu einer begrenzten Messgenauigkeit bei interferometrischen Längenmessungen. Schwankungen der Energie und des Strahlprofils von Pulslasern, die zum Bohren verwendet werden, ergeben Unterschiede des Lochdurchmessers und der Form der produzierten Löcher. Wie bereits in Kap. 3 dargestellt, ist es daher notwendig, die Schwankungen zu erfassen und für spezielle Anwendungen hinreichend klein zu halten. Die dabei auftretenden Probleme sind meist technischer Art und können im folgenden nur angedeutet werden. Der Schwerpunkt der folgenden Ausführungen liegt in der Erläuterung von Begriffen, die zur Beschreibung von Stabilitätseigenschaften verwendet werden, d. h. der Art und Größe der Schwankungen. Außerdem sollen einige fundamentale Stabilitätsgrenzen dargestellt werden.
Besonders stabil lassen sich kontinuierliche Laser aufbauen, worauf sich die folgenden Abschnitte in erster Linie beziehen. Die Stabilisierung von gepulsten Lasern ist schwieriger, da dazu geeignete, schnell arbeitende elektronische Schaltungen aufwendig sind. Die fundamentalen Stabilitätsgrenzen sind daher mit gepulsten Lasern schwieriger zu erreichen. Grundsätzlich sind aber für Pulslaser die gleichen, die Stabilität begrenzenden Effekte wie bei kontinuierlichen Lasern vorhanden. Es treten jedoch bei Pulslasern zusätzliche Probleme auf.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
21. Photodetektoren und Energiemessgeräte
Zusammenfassung
Eine der wichtigsten Kenngrößen eines Lasers ist dessen Ausgangsleistung, bei gepulsten Lasern die Pulsenergie. Zur Messung werden verschiedene Geräte benutzt, die im folgenden beschrieben werden.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
22. Spektralapparate und Interferometer
Zusammenfassung
Die gebräuchlichsten Geräte zur spektralen Zerlegung von Licht sind Prismen- und Gitterspektrometer sowie Fabry-Pérot-Interferometer. Eine weitere Methode zur direkten Frequenzmessung ist das optische Überlagerungsverfahren (optical heterodyning). Zur Charakterisierung der verschiedenen Spektralapparate werden die Lineardispersion und das spektrale Auflösungsvermögen verwendet. Die Lineardispersion (Einheit z. B. nm/mm) gibt an, wie weit zwei Spektrallinien mit einem bestimmten Abstand \(\Updelta\lambda\) örtlich im Spektrum voneinander entfernt sind. Das spektrale Auflösungsvermögen \(\lambda/\Updelta\lambda\) gibt den Abstand zweier noch eben trennbarer Wellenlängen λ und \(\lambda+\Updelta\lambda\) an.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
23. Anwendungen und Entwicklungspotenzial
Zusammenfassung
Der militärische Einsatz von Hochenergie-Lasern in „Star-Wars“-Projekten hat früher teilweise zu einem negativen Bild der Lasertechnik geführt. Neben diesen waffentechnischen Vorhaben existiert jedoch eine ganze Palette friedlicher, zum Teil spektakulärer Laseranwendungen. Darunter fallen zentimetergenaue Messungen der Kontinentaldrift und des Abstandes Erde-Mond. Halbleiterlaser und Glasfasern steigern unsere Kommunikationsmöglichkeiten um viele Größenordnungen. Laserstrahlen mit hoher Leistung werden zur Materialbearbeitung und für die Chirurgie eingesetzt. Die Holographie mit Laserlicht eröffnet neue Möglichkeiten zur dreidimensionalen Bilddarstellung, Mustererkennung und Bildverarbeitung. Schon jetzt sind Diodenlaser in CD- und DVD-Speichern weit verbreitet. Derartige Anwendungen der Laser werden in diesem Kapitel an einigen Beispielen dargestellt. Weiteres Anwendungspotential ist bei der Beschreibung der Lasertypen in Kap. 3 bis 11 skizziert.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
24. Sicherheit von Laser-Einrichtungen
Zusammenfassung
Selbst bei schwachen Lasern können hohe Leistungs- und Energiedichten auftreten, die zu schweren Unfällen am Auge aber auch an der Haut führen können. Die Expositionsgrenzwerte für einen Augenschaden, die im Folgenden beschrieben werden, liegen erstaunlich niedrig. Daher sind für das sichere Arbeiten mit Lasern Gesetze und Verordnungen zu beachten. Es muss ein Laserbereich festgelegt und abgegrenzt werden, in dem die Expositionsgrenzwerte überschritten werden können. In diesem Bereich muss eine Laserschutzbrille getragen werden. Weiterhin muss für jede Laseranlage eine Gefährdungsbeurteilung erstellt und ein Laserschutzbeauftragter benannt werden.
Die gesetzliche Grundlage des Laserstrahlenschutzes ist die Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung (OStrV). In diesem Gesetz werden die wichtigsten Informationen und Sicherheitsmaßnahmen für den Anwender von Laserstrahlung beschrieben. Zusätzlich sind im Literaturverzeichnis eine Reihe von Informationsschriften zitiert, die etwas spezieller auf besondere Fälle eingehen. Die technischen Grundlagen für die Lasersicherheit sind in verschiedenen Normen beschrieben, die insbesondere die Gerätehersteller beachten müssen. Wichtig ist die Normenreihe Sicherheit von Lasereinrichtungen DIN EN 60 825.
Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler
Backmatter
Metadaten
Titel
Laser
verfasst von
Hans Joachim Eichler
Jürgen Eichler
Copyright-Jahr
2015
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-41438-1
Print ISBN
978-3-642-41437-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-41438-1