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Erschienen in:
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2023 | OriginalPaper | Buchkapitel

3. Physikalische Grundlagen – das Geheimnis vom Laserstrahl

verfasst von : Christoph Kollbach, Hans Wilhelm, Christoph Hartl

Erschienen in: Von der Laserbeschriftung bis zum Lasermaterialabtrag

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird ein Überblick über wesentliche physikalische Grundbegriffe im Zusammenhang mit der Lasertechnik gegeben und es werden die theoretischen Grundlagen dieser Technologie erläutert, wie z. B. der Welle-Teilchen-Dualismus von Licht und die Entstehung und Eigenschaften von Laserlicht. Es werden wichtige Komponenten zur Strahlführung wie Spiegelsysteme, Scanner und Optiken vorgestellt sowie der Aufbau und die Funktionsweise der industriell wichtigen Lasertypen Nd-YAG-Laser, Faserlaser und CO2-Laser.

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Fußnoten
1
Wenn beispielsweise ein ungedämpfter Schwingkreis mit derselben Eigenfrequenz neben den Dipol platziert wird, induziert dessen Magnetfeld B(t) im Dipol eine Induktionsspannung Uind(t) ~ dB/dt. Das führt zu Ladungsschwingungen (Stromfluss) im Dipol und dem damit verbundenen magnetischen Feld und elektrischen Feld. Man spricht auch von ‚induktiver Kopplung‘ zweier Schwingkreise.
 
2
Schottischer Physiker (1831–1879). Seine 4 ‚Maxwellschen Gleichungen‘ bilden die Grundlage der Elektrodynamik.
 
3
Deutscher Physiker (1857–1894).
 
4
Er wurde bereits 1839 von A.E. Becquerel entdeckt und 1886 von H. Hertz genauer untersucht.
 
5
Die kinetische Energie eines Teilchens ist Ekin = 1/2 · m · v2; m: Masse des Teilchens und v: Geschwindigkeit des Teilchens.
 
6
Ein Beispiel für ein Elementarteilchen ist das Elektron, das in Abschn. 3.3 einschließlich seiner ‚Materiewelle‘ vorgestellt wird.
 
7
Französischer Physiker (1892–1987).
 
8
Vgl. Abschn. 3.1: so wie das Licht als EM-Welle auch Teilchencharakter hat, hat das Elektron als Materieteilchen auch Wellencharakter.
 
9
Diese Proportionalität wird auch als ‚Kirchhoffsches Strahlungsgesetz‘ bezeichnet und vom Physiker G.R. Kirchhoff bereits 1859 beschrieben.
 
10
Diese Beziehung zwischen dE und dt wird als ‚Energie-Zeit Unschärferelation‘ bezeichnet. Eine analoge Beziehung besteht zwischen dem Ort x und dem Impuls p eines Teilchens: dx · dp \(\cong\) h / (2 · π). Das ist die sogenannte ‚Heisenbergsche Unschärferelation‘, aus der man Gl. 3.45 auch herleiten kann.
 
11
Ein analoges Beispiel aus dem Alltag ist der Unterschied des Motorgeräusches bei einem schnellen Fahrzeug, das einem entgegenkommt und sich dann wieder entfernt.
 
12
Ein ‚frequenzselektives Element‘ wäre z. B. ein ‚optisches Gitter‘ oder ein ‚Etalon‘.
 
13
Im Zusammenhang mit der Fokussierung durch Linsen ist mit f immer die Brennweite gemeint. Dagegen ist im Zusammenhang mit elektromagnetischer Strahlung f immer die Frequenz dieser Strahlung.
 
14
Gl. 3.56 lässt sich verifizieren, wenn man die rechts stehende Gleichung von (3.57) für \({r}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} \quad {\text{bzw.}} \quad {\stackrel{\sim }{r}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\) in die Gleichung (3.56) einsetzt.
 
15
Typischerweise Ringe aus eloxiertem Aluminium mit Innen- und Außengewinde, die über das Außengewinde in das Scannergehäuse geschraubt bzw. über deren Innengewinde die F-Theta Optik eingeschraubt wird.
 
16
Es gibt weitere Laserübergänge, die im Bereich von λ = 940…1800 nm liegen; sie sind jedoch schwächer als die Hauptemission bei 1064 nm und können nur durch entsprechende ‚passende‘ Spiegelbeschichtungen und mithilfe von Wellenlängenselektion durch optische Komponenten und gegebenenfalls auch durch Kühlung des Kristalls zur Laseremission gebracht werden.
 
17
Damit ist hier das Verhältnis der Leistung der Laseremission zur gesamten elektrischen Eingangsleistung der Laserstrahlquelle gemeint. Also ein ‚elektrisch-optischer Wirkungsgrad‘, der oft auch als ‚Steckdosenwirkungsgrad‘ bezeichnet wird. Bei durch Licht gepumpten Lasern spricht man dagegen auch oft vom ‚optisch-optischen Wirkungsgrad‘. Ein ‚optisch-optischer Wirkungsgrad‘ beschreibt beispielsweise wieviel Prozent von der Laserleistung der Pumpdiode in Laseremission des Nd-YAG-Lasers umgewandelt wird. Vgl. auch das Beispiel zur Berechnung des Wirkungsgrades eines Faserlasers im Unterpunkt „Faserlaser“ dieses Buchabschnittes.
 
18
Diese Komponenten werden als ‚dichroitisch (beschichtete) Spiegel‘ oder auch oft als ‚dichroitisch (beschichtete) Filter‘ bezeichnet; entsprechend der Art ihrer Beschichtung ist für sie ein ‚Reflexionsbereich‘ in nm bzw. ein ‚Transmissionsbereich‘ in nm spezifiziert.
 
19
Sie werden oft auch als ‚Diodenbarren‘ oder ‚Diodenstack‘ bezeichnet.
 
20
Damit sind die Übergangszeiten zwischen den folgenden beiden Zuständen gemeint: 1. Der optische Weg ist wieder komplett frei (Chopper) bzw. wiederhergestellt (Drehspiegel) für die Laseroszillation; 2. Der optische Weg ist komplett gesperrt (Chopper) oder komplett umgelenkt (Drehspiegel). Der zeitliche Übergang zwischen diesen beiden Zuständen ist die ‚Umschaltzeit‘ ∆tu – vgl. auch Abb. 3.38.
 
21
Bei Verwendung von EOM‘s wird ausgenutzt, dass durch Änderung des Brechungsindex die Polarisation des Laserlichts verändert wird. Der Brechungsindex wird durch eine DC-Spannung geändert und durch polarisationsabhängige Optik im Resonator (Polarisator) wird die Laseroszillation dann im Takt des Schaltens der DC-Spannung blockiert bzw. freigegeben – stark vereinfachende Beschreibung.
 
22
Das elektrische Dipolmoment ist ein Maß für die räumliche Ladungstrennung, also die Stärke des Dipolcharakters (z. B. eines Moleküls).
 
23
Dabei wird mit einem UV-Laser (z. Bsp. Excimerlaser) eine periodische Mikrostruktur in das Faserende geschrieben. Dadurch entsteht ein entsprechend dieser Struktur periodisch veränderter Brechungsindex im Material. Je nach Periodenlänge der Mikrostruktur wird dann eine bestimme Lichtwellenlänge reflektiert. Eine formale Analogie besteht zur sogenannten ‚Bragg-Reflexion‘ von Röntgenstrahlung an der Gitterstruktur von Kristallen, wo die Reflexion auch nur auftritt, wenn die Periodizität der Gitterstruktur im Kristall zur Wellenlänge und zum Einfallswinkel der Röntgenstrahlung passt.
 
24
Beim Spleißen werden die beiden Faserenden zueinander positioniert und dann durch einen Lichtbogen verschmolzen.
 
25
Dabei wird ausgenutzt, dass manche Materialien die Polarisation des Lichts drehen, wenn an sie ein Magnetfeld angelegt wird (‚Faraday-Effekt‘). Die Magnetfeldstärke wird so gewählt, dass eine Drehung der Polarisation um 45° erfolgt. Durch Polarisationsfilter, die sich vor und hinter dem Material befinden und deren Polarisationsrichtung um 45° zueinander verdreht ist wird zurückreflektiertes Licht vom vorderen Polarisationsfilter geblockt.
 
26
Diese Gleichung ist nur als formale Bilanzgleichung zu verstehen. Für die Umwandlung von CO zu CO2 sind weitere Zwischenschritte und Reaktionspartner nötig, und zwar eine Dissoziation von O2 in O bzw. von H2O in OH−. Außerdem spielt das Elektrodenmaterial eine Rolle als Katalysator – genaueres dazu findet man in der Literatur, z. Bsp. in [8, 9].
 
Literatur
1.
Dorn – Bader (2019) Physik Sek II Qualifikationsphase Gymnasium. Westermann Gruppe
2.
Dransfeld K, Kienle P (2002) Physik II – Elektrodynamik und spezielle Relativitätstheorie. Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH
3.
Haken H, Wolf HC (1993) Atom- und Quantenphysik. Einführung in die experimentellen und theoretischen Grundlagen, 5. Aufl. Springer, Berlin Heidelberg
4.
Mayer-Kuckuck T (1994) Atomphysik: Eine Einführung, 4. Aufl. Vieweg + Teubner, WiesbadenCrossRef
5.
Sigrist MW (2018) Laser: Theorie, Typen und Anwendungen, 8. Aufl. Springer Spektrum, BerlinCrossRef
6.
Lange W (1994) Einführung in die Laserphysik, 2. Aufl. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt
7.
Hügel H (1992). Strahlwerkzeug Laser. Eine Einführung. B.G. Teubner, Stuttgart
8.
Eichler J, Eichler HJ (2003) Laser – Bauformen, Strahlführung. Springer, Anwendungen
9.
Bliedtner J, Müller H, Bartz A (2013) Lasermaterialbearbeitung, Grundlagen – Verfahren – Anwendungen – Beispiele. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser, MünchenCrossRef
Metadaten
Titel
Physikalische Grundlagen – das Geheimnis vom Laserstrahl
verfasst von
Christoph Kollbach
Hans Wilhelm
Christoph Hartl
Copyright-Jahr
2023
Buch
Von der Laserbeschriftung bis zum Lasermaterialabtrag

Print ISBN: 978-3-658-38129-5

Electronic ISBN: 978-3-658-38130-1

Copyright-Jahr: 2023

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-38130-1_3

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