laser

Laser (/ ˈLɛɪzər /, også / ˈLeːzər / eller / ˈLaːzər /; Akronym for engelsk l ight En mplifikation af S timuleret e mission af R adiation, lysforstærkning ved stimuleret stråling ") refererer til både den fysiske effekt og enheden kan frembringes med laserstrålerne.

Laserstråler er elektromagnetiske bølger . De adskiller sig fra lyset fra en lyskilde, der bruges til belysning, for eksempel en glødelampe , primært i den ellers uopnåelige kombination af høj intensitet , ofte et meget snævert frekvensområde ( monokromatisk lys ), skarpt fokus på strålen og lang kohærenslængde . Med et meget bredt frekvensområde er ekstremt korte og intense stråleimpulser med en nøjagtig gentagelsesfrekvens også mulige. ^[1]

Lasere har mange mulige anvendelsesmuligheder inden for teknologi og forskning såvel som i hverdagen, lige fra enkle lyspunkter (f.eks. Laserpegere i præsentationer) til afstandsmåleudstyr , skære- og svejseværktøjer , læsning fra optiske lagermedier som f.eks. Cd'er , dvd'er og Blu- stråleskiver og meddelelsestransmission på laserskalpel og andre enheder, der bruger laserlys i daglig daglig praksis.

Lasere er tilgængelige til stråling i forskellige områder af det elektromagnetiske spektrum : fra mikrobølger ( maser ) til infrarødt , synligt lys , ultraviolet og røntgenstråler . Laserstrålernes særlige egenskaber stammer fra deres dannelse i form af en stimuleret emission . Laseren fungerer som en optisk forstærker , typisk i resonant feedback . Den energi, der kræves til dette, leveres af et lasermedium (f.eks. Krystal, gas eller væske), hvor der er en inversion af befolkningen på grund af ekstern energiindgang. Den resonante feedback skyldes normalt, at lasermediet er placeret i en elektromagnetisk resonator til stråling af en bestemt retning og bølgelængde.

Ud over de diskrete energiniveauer ved atomovergange er der også typer af lasere med kontinuerlige energiovergange, såsom frielektronlaseren . Da atomenerginiveauer på mindre end 13,6 eV er begrænset, svarer dette til en grænse ved bølgelængden på 90 nm. .

Lasere i forskellige farver

Demonstrationslaser: I midten kan du se lyset af gasudladningen, der ophidser lasermediet. Laserstrålen kan ses til højre som en rød prik på den hvide skærm.

Grundlæggende funktioner

Grundlæggende ingredienser

Konceptuelt består en laser af tre komponenter:

Aktivt medium (lasermedium): I det aktive medium skaber den optiske overgang af ophidsede atomer eller molekyler til en energisk mere gunstig tilstand fotoner . Den centrale betingelse for et lasermedium er, at der kan produceres en populationsinversion. Dette betyder, at den øverste tilstand af den optiske overgang er mere tilbøjelig til at blive optaget end den nederste. Et sådant medium skal have mindst tre niveauer og kan være gasformigt (f.eks. CO ₂ ), flydende (f.eks. Farvestofopløsninger) eller fast (f.eks. Rubinkrystal , halvledermateriale ). ^[1]
pumpe: En befolkningsinversion forårsage, skal være i lasermediet energi pumpes ( engelsk pumpning) er. Så denne pumpeproces ikke konkurrerer med den stimulerede emission, skal den være baseret på en anden kvantemekanisk overgang. Pumpning kan bringe atomerne eller molekylerne i lasermediet optisk til optiske tilstande ( bestråling af lys ) eller elektrisk (f.eks. Gasudladning , elektrisk strøm i laserdioder ). ^[1]
Resonator: En resonator består f.eks. Af to parallelle spejle, mellem hvilke det aktive lasermedium er placeret. Fotoner, hvis udbredelse er vinkelret på spejlene, forbliver i resonatoren og kan derfor udløse (stimulere) emission af yderligere fotoner i det aktive medium flere gange. En foton skabt på denne måde svarer i alle kvantetal til den udløsende foton. Spontane fotoner, der forlader resonatoren, for eksempel på tværs, har derfor en tendens til ikke at stimulere yderligere fotoner. Dette valg af resonatoren fører til en smal stråleretning af laserstråling. Nogle resonatorer er også bølgelængdeselektive (dikroiske spejle, Bragg-gitre) og kan derved yderligere begrænse de oscillerende langsgående tilstande . I nogle laser med høj forstærkning er en resonator ikke absolut nødvendig for at opnå stimuleret emission (se superemittere ). ^[1]

funktionalitet

I første omgang flyttes atomer i lasermediet fra lavere energiniveauer (f.eks. Jordtilstand ) til energisk højere, dvs. spændte tilstande, af den indførte effekt. Den gennemsnitlige henfaldstid for de ophidsede tilstande (normalt på grund af spontan emission ) bør være så lang som muligt. Således forbliver pumpenergien lagret der i en "længere" tid, så der kan opbygges en befolkningsinversion . Det er nu tilstrækkeligt at stimulere et atom med en foton med den energi, der skal udsendes, så det ophidsede atom falder tilbage til dets grundtilstand og udsender en foton med samme energi (dvs. identisk bølgelængde og frekvens) og identisk faseposition som det stimulerende foton. Begge fotoner bevæger sig i samme retning. Ved at fordoble den stimulerende foton fungerer lasermediet som en lysforstærker. Den "nyoprettede" anden foton kan så igen stimulere andre ophidsede atomer til at udsende, og der opstår en kædereaktion .

Ud over denne forstærkende effekt er arrangementet placeret i en resonator (se nedenfor for laserresonator ), som er tilpasset den ønskede bølgelængde på grund af dets dimensioner. Hvis en foton passerer gennem lasermediet flere gange, har det nok chancer for at stimulere andre atomer. Resonatoren er grundlæggende dannet af to spejle i enderne af arrangementet. Retningen af den genererede lysstråle bestemmes endelig af disse spejle. Det ene af de to spejle er delvist gennemsigtigt, så en del af lyset kan forlade og bruges. ^[1]

historie

Albert Einstein beskrev stimuleret emission som en reversering af absorptionen allerede i 1916. I 1928 lykkedes det Rudolf Ladenburg at bevise det eksperimentelt. Derefter var det længe i tvivl, om effekten kunne bruges til at intensivere lysfeltet, da en befolkningsinversion måtte forekomme for at opnå forstærkningen. Men dette er umuligt i et stabilt system på to niveauer. Først blev der overvejet et system på tre niveauer, og beregningerne viste en stabilitet for stråling i mikrobølgeområdet, realiseret i 1954 i Maser af Charles H. Townes , som udsender mikrobølgestråling . Derefter arbejdede Townes og Arthur L. Schawlow blandt andre på overførslen af maser -princippet til kortere bølgelængder. Optisk pumpning blev introduceret af Alfred Kastler i begyndelsen af 1950'erne. I 1950'erne opdagede de sovjetiske forskere og nobelpristagere Alexander Mikhailovich Prokhorov og Nikolai Gennadijewitsch Bassow uafhængigt af hinanden maser -princippet og optisk pumpning, og Prokhorov foreslog implementering ved kortere bølgelængder i en rubinlaser i 1958. Den første laser - en rubinlaser - blev afsluttet af Theodore Maiman den 16. maj 1960. ^[2] ^[3] Den første gaslaser, helium-neonlaseren , blev også udviklet i 1960 ( Ali Javan , William R. Bennett , Donald R. Herriott ).

Udtrykket blev opfundet i slutningen af 1950'erne ^[4] af Gordon Gould baseret på burl; Gould brugte først udtrykket i sine noter i 1957. Tidlige publikationer kaldet laser eller optisk maser (optisk maser).

Yderligere udvikling førte derefter først til forskellige gaslasere ( oxygen , nitrogen , CO _2- lasere , He-Ne-lasere ^[5] ) og derefter til farvning af lasere (det laseraktive medium er flydende) af Fritz P. Schäfer og Peter Sorokin (1966 ). En videreudvikling af krystalteknologier muliggjorde en meget stærk udvidelse af det anvendelige spektrale område. Afstembare lasere til at nærme sig en bestemt bølgelængde og bredbåndslasere som f.eks. For eksempel indvarslede titanium-safirlaseren æraen med ultrakorte pulslasere med en pulsvarighed på picosekunder og femtosekunder i 1980'erne.

De første halvlederlasere blev udviklet i 1960'erne ( Robert N. Hall 1962, Nick Holonyak 1962 i det synlige spektralområde, Nikolai Bassow), men kun praktisk med udviklingen af halvlederlasere baseret på heterostrukturer (Nobelprisen til Herbert Kroemer , Schores Alfjorow ). I slutningen af 1980'erne muliggjorde halvlederteknologi stadig mere holdbare, meget effektive halvlederlaserdioder, der bruges med lav effekt i cd- og dvd -drev eller i fiberoptiske datanetværk og nu gradvist bruges som pumpekilder med effekt op til kW -området erstatter ineffektiv lampexcitation af solid-state lasere.

I 1990'erne blev nye pumpegeometrier til høje lasereffekter implementeret, såsom disk- og fiberlasere . På grund af tilgængeligheden af nye fremstillingsteknikker og output på op til 20 kW blev sidstnævnte ved årtusindskiftet i stigende grad brugt i materialeforarbejdning, hvor de delvist kan erstatte de tidligere almindelige typer (CO _2- lasere, lampepumpede Nd : YAG -lasere ). I slutningen af 1990'erne var blå og ultraviolette laserdioder klar til markedet ( Shuji Nakamura ).

I begyndelsen af det 21. århundrede blev ikke-lineære effekter brugt for første gang til at generere attosekundpulser i røntgenområdet. Dette gjorde det muligt at følge de kronologiske processer inde i et atom. I mellemtiden er laseren blevet et vigtigt instrument inden for industri, medicin, kommunikation, videnskab og forbrugerelektronik.

Fysisk grundlæggende

Der er et fast tal i det aktive medium i resonatoren $N$ ${\ displaystyle N}$ $N$ Atomer eller molekyler med hver, men altid de samme energiniveauer. To af disse niveauer, benævnt det lavere laserniveau $E_{1}$ ${\ displaystyle E_ {1}}$ $E_ {1}$ og øvre laserniveau $E_{2}$ ${\ displaystyle E_ {2}}$ $E_ {2}$ (hvori $E_{1}<E_{2}$ ${\ displaystyle E_ {1} <E_ {2}}$ $E_1 <E_2$ ), danner laserovergangen . Laserovergangen er den optiske overgang, hvis energiforskel svarer til laserlysets frekvens. Forskellen $\Delta N=N_{1}-N_{2}$ ${\ displaystyle \ Delta N = N_ {1} -N_ {2}}$ $\ Delta N = N_1 - N_2$ mellem antallet af partikler i den nederste $N_{1}$ ${\ displaystyle N_ {1}}$ $N_ {1}$ og øvre laserniveau $N_{2}$ ${\ displaystyle N_ {2}}$ $N_ {2}$ kaldes "inversion" og er afgørende for laserens funktion.

Der er to grundlæggende betingelser, der skal være opfyldt på samme tid for at en laser fungerer:

$\Delta N<0$ ${\ displaystyle \ Delta N <0}$ $\ Delta N <0$ (Population inversion) - der skal være flere partikler i overdelen end i det lavere laserniveau.
Hvis der bruges en resonator, skal forstærkning af laserlyset på grund af stimuleret emission, når det passerer gennem resonatoren, være større end dets tab på grund af absorption , spredning og spejletab, især afkoblingstab. Resonatorspejlet skal have en refleksivitet på mindre end et på mindst den ene side, så laserlys kan forlade laseren og overhovedet kan bruges. Denne afkobling af en del af laserlyset kaldes afkoblingstab, fordi denne del ikke længere bidrager til yderligere forstærkning i lasermediet gennem stimuleret emission.

Hver overgang mellem de to niveauer svarer til emission eller absorption af en foton med vinkelfrekvensen $\omega =\Delta E/\hbar$ ${\ displaystyle \ omega = \ Delta E / \ hbar}$ $\ omega = \ Delta E / \ hbar$ , hvori $\Delta E$ ${\ displaystyle \ Delta E}$ $\ Delta E$ energiforskellen mellem de to niveauer og $\hbar$ ${\ displaystyle \ hbar}$ $\ hbar$ er den reducerede handlingskvantum fra Planck . En sådan foton dannes under emission, og en tilsvarende foton går tabt under absorption. Valget af lasermediet bestemmer lysets frekvens eller farve.

Den matematiske beskrivelse af besættelsen foregår via særlige koblede differentialligninger , såkaldte rate-ligninger . Disse beskriver besættelsestatens tidsforløb, dvs. den tidsmæssige ændring af $N_{1}$ ${\ displaystyle N_ {1}}$ $N_ {1}$ og $N_{2}$ ${\ displaystyle N_ {2}}$ $N_ {2}$ . Den nøjagtige form for hastighedsligningerne afhænger af, hvor mange energiniveauer udover de to laserniveauer er tilgængelige og anvendte samt typen af visse tilnærmelser .

To-niveau system

Et system på to niveauer

To stabile energiniveauer er ikke nok til konstruktion af en laser, som vist nedenfor. Overvejelsen af to-niveausystemer danner imidlertid grundlaget for overvejelser af lasermedier med mere end to energiniveauer, hvor laserbetjening er mulig. Et teoretisk system med to niveauer ville blive pumpet direkte fra det nedre til det øvre laserniveau. For et system på to niveauer er hastighedsligningerne:

{\frac {dN_{1}}{dt}}=-BIN_{1}+BIN_{2}+AN_{2}

{\ displaystyle {\ frac {dN_ {1}} {dt}} = - BIN_ {1} + BIN_ {2} + AN_ {2}}

\ frac {dN_1} {dt} = -BIN_1 + BIN_2 + AN_2

{\frac {dN_{2}}{dt}}=+BIN_{1}-BIN_{2}-AN_{2}=-{\frac {dN_{1}}{dt}}

{\ displaystyle {\ frac {dN_ {2}} {dt}} = + BIN_ {1} -BIN_ {2} -AN_ {2} = -{\ frac {dN_ {1}} {dt}}}

\ frac {dN_2} {dt} = + BIN_1 - BIN_2 - AN_2 = - \ frac {dN_1} {dt}

det er $EN.$ ${\ displaystyle A}$ $EN.$ Einstein -koefficienten for spontan emission, $B.$ ${\ displaystyle B}$ $B.$ Einstein -koefficienten for absorption eller stimuleret emission og $JEG.$ ${\ displaystyle I}$ $JEG.$ lysets intensitet i resonatoren. De individuelle udtryk står hver for absorption eller emission af fotoner og dermed ændringen i antallet af partikler i denne tilstand. Som inversion til laserbetjening $\Delta N$ ${\ displaystyle \ Delta N}$ $\ Delta N$ vigtig, dannes også forskellen mellem disse to hastighedsligninger $N_{1}$ ${\ displaystyle N_ {1}}$ $N_ {1}$ og $N_{2}$ ${\ displaystyle N_ {2}}$ $N_ {2}$ igennem $\Delta N=N_{1}-N_{2}$ ${\ displaystyle \ Delta N = N_ {1} -N_ {2}}$ $\ Delta N = N_1 - N_2$ og bevaringsstørrelsen $N=N_{1}+N_{2}$ ${\ displaystyle N = N_ {1} + N_ {2}}$ $N = N_1 + N_2$ gav udtryk for:

{\frac {d(N_{1}-N_{2})}{dt}}={\frac {d\Delta N}{dt}}=-2BI\Delta N+AN-A\Delta N

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

\ frac {d (N_1 - N_2)} {dt} = \ frac {d \ Delta N} {dt} = - 2BI \ Delta N + AN - A \ Delta N

Efter et bestemt tidspunkt vil der blive etableret en ligevægt i besættelserne, hvorved den tidsmæssige ændring af inversionen bliver forsvindende lille ( fast punkt ). For at finde dette ligevægtspunkt sætter man ${\tfrac {d\Delta N}{dt}}=0.$ ${\ displaystyle {\ tfrac {d \ Delta N} {dt}} = 0.}$ $\ tfrac {d \ Delta N} {dt} = 0.$ Den resulterende ligning kan derefter bruges iflg $\Delta N^{s}$ ${\ displaystyle \ Delta N ^ {s}}$ $\ Delta N ^ s$ omformes:

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

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

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

hvori $I_{S}=A/B$ ${\ displaystyle I_ {S} = A / B}$ $I_S = A / B$ kaldes mætningsintensiteten (indekset $S.$ ${\ displaystyle S}$ $S.$ står for "stationær"). Denne befolkningsinversion er altid positiv, uanset hvor stor intensiteten er $JEG.$ ${\ displaystyle I}$ $JEG.$ vilje. Det betyder, at der altid er færre partikler i det øvre laserniveau end i det nederste. Derfor er befolkningsinversion ikke mulig i et stabilt system på to niveauer. Det er derfor umuligt at konstruere en laser på denne måde.

Einstein -koefficienterne giver en klar forklaring. Så snart halvdelen af alle partikler i lasermediet er i det øvre laserniveau, er sandsynligheden for, at et atom i det lavere laserniveau absorberer en foton, lige så høj som sandsynligheden for, at et atom i det øvre laserniveau udsender en foton gennem stimuleret emission. Den ekstra spontane emission sikrer, at ikke engang denne teoretiske grænse nås.

System på tre niveauer

Ud over de to niveauer i systemet på to niveauer er der et andet energiniveau i et system på tre niveauer $E_{3}$ ${\ displaystyle E_ {3}}$ $E_ {3}$ over det øvre laserniveau, så det gælder $E_{1}<E_{2}<E_{3}$ ${\ displaystyle E_ {1} <E_ {2} <E_ {3}}$ $E_1 <E_2 <E_3$ . Denne gang sker pumpningen fra det lavere laserniveau $E_{1}$ ${\ displaystyle E_ {1}}$ $E_ {1}$ til det nye niveau $E_{3}$ ${\ displaystyle E_ {3}}$ $E_ {3}$ . For det tredje niveau er betingelsen også sat, at det er meget hurtigere i staten $E_{2}$ ${\ displaystyle E_ {2}}$ $E_ {2}$ går forbi som $E_{2}$ ${\ displaystyle E_ {2}}$ $E_ {2}$ til $E_{1}$ ${\ displaystyle E_ {1}}$ $E_ {1}$ så det gælder $N_{3}\approx 0$ ${\ displaystyle N_ {3} \ ca. 0}$ $N_3 \ ca. 0$ eller igen $N=N_{1}+N_{2}+N_{3}\approx N_{1}+N_{2}$ ${\ displaystyle N = N_ {1} + N_ {2} + N_ {3} \ approx N_ {1} + N_ {2}}$ $N = N_1 + N_2 + N_3 \ ca. N_1 + N_2$ . Denne hurtige overgang sker enten uden stråling eller via spontan emission. I analogi med to-niveausystemet er der også opsat hastighedsligninger her:

{\frac {dN_{1}}{dt}}=-BIN_{1}+AN_{2}

{\ displaystyle {\ frac {dN_ {1}} {dt}} = - BIN_ {1} + AN_ {2}}

\ frac {dN_1} {dt} = -BIN_1 + AN_2

{\frac {dN_{2}}{dt}}=+BIN_{1}-AN_{2}=-{\frac {dN_{1}}{dt}}

{\ displaystyle {\ frac {dN_ {2}} {dt}} = + BIN_ {1} -AN_ {2} = - {\ frac {dN_ {1}} {dt}}}

\ frac {dN_2} {dt} = + BIN_1 - AN_2 = - \ frac {dN_1} {dt}

I modsætning til to-niveausystemet er der ingen stimuleret emission fra pumpeprocessen. Igen kan disse hastighedsligninger opnås ved at trække fra, udtrykke dem igennem $\Delta N$ ${\ displaystyle \ Delta N}$ $\ Delta N$ og $N$ ${\ displaystyle N}$ $N$ og efterfølgende overvejelse af ligevægtstilstanden ${\tfrac {d\Delta N}{dt}}=0$ ${\ displaystyle {\ tfrac {d \ Delta N} {dt}} = 0}$ $\ tfrac {d \ Delta N} {dt} = 0$ kan omdannes til en ligning for besættelsen:

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

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

\ Delta N ^ s = N \ frac {1 - I / I_S} {1 + I / I_S}

Denne ligning bliver negativ ( $N_{1}<N_{2}$ ${\ displaystyle N_ {1} <N_ {2}}$ $N_1 <N_2$ ) når betingelsen $I>I_{S}$ ${\ displaystyle I> I_ {S}}$ $I> I_S$ er opfyldt. Det betyder, at der i et system på tre niveauer kan være flere partikler i det øvre laserniveau, og derfor er populationsinversion mulig. Forudsætningen er en høj intensitet af lyset i resonatoren. Lasere på tre niveauer er således mulige.

System på fire niveauer

Med et system på fire niveauer er der et ekstra energiniveau sammenlignet med systemet på tre niveauer $E_{0}$ ${\ displaystyle E_ {0}}$ $E_ {0}$ tilføjet. Dette er placeret under det lavere laserniveau $E_{1}$ ${\ displaystyle E_ {1}}$ $E_ {1}$ så det gælder $E_{0}<E_{1}<E_{2}<E_{3}$ ${\ displaystyle E_ {0} <E_ {1} <E_ {2} <E_ {3}}$ $E_0 <E_1 <E_2 <E_3$ . Overgangen fra $E_{1}$ ${\ displaystyle E_ {1}}$ $E_ {1}$ til $E_{0}$ ${\ displaystyle E_ {0}}$ $E_ {0}$ har igen som betingelse, at det sker meget hurtigt. Dette ændrer den omtrentlige tilstand for det samlede antal partikler til $N\approx N_{0}+N_{2}$ ${\ displaystyle N \ approx N_ {0} + N_ {2}}$ $N \ Ca. N_0 + N_2$ , og ligningen for rollelisten bliver $\Delta N=N_{1}-N_{2}\approx -N_{2}$ ${\ displaystyle \ Delta N = N_ {1} -N_ {2} \ approx -N_ {2}}$ $\ Delta N = N_1 - N_2 \ ca - N_2$ . Pumpeprocessen foregår her fra $E_{0}$ ${\ displaystyle E_ {0}}$ $E_ {0}$ til $E_{3}$ ${\ displaystyle E_ {3}}$ $E_ {3}$ . Rate -ligningerne resulterer således i:

{\frac {dN_{1}}{dt}}\approx 0

{\ displaystyle {\ frac {dN_ {1}} {dt}} \ ca. 0}

\ frac {dN_1} {dt} \ ca. 0

{\frac {dN_{2}}{dt}}=+BIN_{0}-AN_{2}

{\ displaystyle {\ frac {dN_ {2}} {dt}} = + BIN_ {0} -AN_ {2}}

\ frac {dN_2} {dt} = + BIN_0 - AN_2

Også her er det muligt igen $N_{0}$ ${\ displaystyle N_ {0}}$ $N_ {0}$ og $N_{2}$ ${\ displaystyle N_ {2}}$ $N_ {2}$ igennem $N$ ${\ displaystyle N}$ $N$ og $\Delta N$ ${\ displaystyle \ Delta N}$ $\ Delta N$ at udtrykke såvel som at indstille ligevægtstilstanden og efter $\Delta N$ ${\ displaystyle \ Delta N}$ $\ Delta N$ at opløse:

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

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

\ Delta N = -N \ frac {I / I_S} {1 + I / I_S}

I dette tilfælde er besættelsen altid negativ. Det betyder, at et eksternt spændt fire-niveausystem er meget velegnet som lasermedium. Næsten alle moderne lasere er designet som fire- eller multi-level systemer.

Laserresonator

Skema af en laserresonator

Strålevej i den konfokale resonator

I en laser styres strålingen, der oprindeligt blev initieret ved spontan emission, gentagne gange gennem det område, hvor befolkningsinversion hersker ved et passende arrangement af to spejle. Et sådant arrangement kaldes en optisk resonator eller laserresonator. Ved konstant at flytte frem og tilbage, at tilstrækkelig forstærkning overstige laser tærskel kan opnås. Lasertærsklen kan kun overskrides, hvis forstærkningen i resonatoren er større end tabet (f.eks. På grund af spontan emission, spredning og afkoblet effekt). Ud over befolkningsinversionen er denne tilstand den anden grundlæggende forudsætning for, at en laser fungerer.

I det enkleste tilfælde består en laserresonator af to spejle, mellem hvilke strålingen reflekteres, så stien gennem lasermediet forlænges. Som et resultat heraf kan en foton meget ofte forårsage stimuleret emission. Det ene af de to spejle er delvist gennemsigtigt og kaldes et afkoblingsspejl eller afkobler . Dette sikrer, at en del af strålingen kan forlade enheden som en laserstråle. Lasermedier med meget høj forstærkning kan også fungere med kun et spejl eller uden et spejl.

I resonatoren forstærkes kun frekvenser, der opfylder resonansbetingelsen , for hvilke følgende gælder:

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

{\ displaystyle L = n {\ frac {\ lambda} {2}} \ quad \ Venstrehøjre pil \ quad \ nu = n {\ frac {c} {2L}}}

L = n \ frac {\ lambda} {2} \ quad \ Venstrehøjre pil \ quad \ nu = n \ frac {c} {2L}

det er $n$ ${\ displaystyle n}$ $n$ et naturligt tal og $L.$ ${\ displaystyle L}$ $L.$ resonatorlængden. Andre frekvenser annulleres ved destruktiv interferens. En anden konstruktion er ringresonatoren , hvor lyset passerer gennem en lukket bane ved flere refleksioner.

Kvaliteten af resonatoren (dvs. forholdet mellem stråling reflekteret frem og tilbage til udgående stråling) skal være særlig høj i tilfælde af medier med lav forstærkning. Et eksempel på dette er helium-neonlaseren . Resonatorkvaliteten kan ofte påvirkes tidsafhængigt ved hjælp af optiske komponenter placeret i den, men også med hensyn til bølgelængden og den laterale stråleprofil for at opnå god strålekvalitet , frekvenskonstant og kohærens samt puls formgivning af laserstrålen. Sådanne komponenter er f.eks. B. membraner, optiske kontakter ( kvalitetsafbrydere ) eller frekvensselektive endespejle.

Med enkle resonatorer (spejl - aktivt medium - spejl) kan resonatorstabiliteten beregnes med de såkaldte g -faktorer. De er defineret som:

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}}

{\ displaystyle g_ {1} = 1 - {\ frac {L} {R_ {1}}}}

g_1 = 1 - \ frac {L} {R_1}

g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

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

g_2 = 1 - \ frac {L} {R_2}

Her er $R_{1}$ ${\ displaystyle R_ {1}}$ $R_ {1}$ og $R_{2}$ ${\ displaystyle R_ {2}}$ $R_ {2}$ krumningsradierne for de to resonatorspejle og $L.$ ${\ displaystyle L}$ $L.$ resonatorens samlede længde. Stabilitetstilstanden er

0<g_{1}g_{2}<1

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

0 <g_1g_2 <1

^[6]

En paraxial stråle forlader ikke resonatoren selv efter et antal refleksioner. Hvis resultatet er 0 eller 1, er resonatoren kantstabil. Et eksempel på dette er den konfokale ( $g_{1}=g_{2}=0$ ${\ displaystyle g_ {1} = g_ {2} = 0}$ $g_1 = g_2 = 0$ ), halvkugleformet ( $g_{1}=0,\ g_{2}=1$ ${\ displaystyle g_ {1} = 0, \ g_ {2} = 1}$ ${\ displaystyle g_ {1} = 0, \ g_ {2} = 1}$ ), koncentrisk ( $g_{1}=g_{2}=-1$ ${\ displaystyle g_ {1} = g_ {2} = - 1}$ $g_1 = g_2 = -1$ ) eller plan-plan resonator ( $g_{1}=g_{2}=1$ ${\ displaystyle g_ {1} = g_ {2} = 1}$ $g_1 = g_2 = 1$ ), som også er kendt som Fabry-Perot-resonatoren . I praksis er disse typer lasere meget vanskelige at justere og fungerer normalt kun, fordi andre linseffekter fører resonatoren ind i stabilitetsområdet. En sådan effekt kan for eksempel være en termisk linseffekt, hvor en termisk linse skabes af en temperaturgradient i resonatoren. Stabile resonatorer har en positiv effekt på strålekvaliteten og laserstrålens kohærensegenskaber . Ulempen er den dårlige udnyttelse af lasermediet, da lysstrålen igen og igen rammer de samme partikler i stedet for spændende nye partikler.

Følgende gælder for ustabile resonatorer $g_{1}g_{2}>1$ ${\ displaystyle g_ {1} g_ {2}> 1}$ $g_1 g_2> 1$ eller $g_{1}g_{2}<0$ ${\ displaystyle g_ {1} g_ {2} <0}$ $g_1 g_2 <0$ . Diffraktionstabet er meget høje for disse, men ustabile resonatorer kan med fordel anvendes med et lasermedium med en stor diameter, da disse genererer en ensartet intensitetsfordeling i resonatoren. En forudsætning for dette er imidlertid et højt forstærkningsniveau for lasermediet. Ustabile resonatorer bruges derfor mest i lasere, der har en høj forstærkning pr. Resonatorcyklus, og for hvilke høj udgangseffekt og mindre strålekvalitet er afgørende. Den asymmetriske konfokale ustabile resonator er af særlig betydning, fordi den tilvejebringer en parallel udgangsstråle.

Da en ikke ubetydelig del af den anvendte energi omdannes til varme, når laserstråling genereres, skal der altid sikres effektiv afkøling af det laseraktive medium ved design af laserresonatorer, især i området med høj ydeevne. Optiske virkninger forårsaget af en temperaturgradient i det laseraktive medium spiller også en stor rolle her, hvilket resulterer i, at brændpunktet i resonatoren afhænger af dets temperatur. I tilfælde af gaslasere kan der opnås effektiv afkøling, f.eks. Ved konstant at cirkulere den anvendte gas for at afkøle den uden for den faktiske laser. ^[7]

Langsgående tilstande

Mulige bølgelængder mellem resonatorspejlene. Repræsentation: amplitude som funktion af afstanden fra spejlene

Langsgående lasertilstande med en gaussisk forstærkningsprofil i en resonator. Repræsentation: amplitude som funktion af frekvens

Forskellige bølgeformer kaldes modes . Begrebet longitudinal er udtrykket givet til oscillationen langs strålings udbredelsesretning. Udtrykt billedligt er disse intensitetstoppe og dale i en afstand af en halv bølgelængde. Med en He-Ne-laser på et par centimeter lang kunne du tælle omkring 600.000 intensitetsbjerge mellem spejlene, med en kort laserdiode kun et par tusinde.

Afhængigt af designet forstærkes visse bølgelængder og deres multipler særligt af resonatoren, fordi der kun er en stående bølge mellem spejlene for bestemte bølgelængder.

Billedet viser intensitetsfordelingen omkring den grundlæggende tilstand (angivet som middelintensitet som en funktion af frekvens $\nu _{0}$ ${\ displaystyle \ nu _ {0}}$ $\ nu _ {0}$ ).

Følgende forhold gælder for de mulige lysfrekvenser i en laserresonator:

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

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

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

,

$\nu (N)$ ${\ displaystyle \ nu (N)}$ $\godt)$ er den tilladte frekvens for $N$ ${\ displaystyle N}$ $N$ -den måde, $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ lysets hastighed og $L.$ ${\ displaystyle L}$ $L.$ resonatorlængden (afstand mellem resonatorspejlene). I denne formel kan du erstatte frekvensen med det mere almindelige udtryk bølgelængde og få de mulige bølgelængder $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ i en resonator:

2L=N\cdot \lambda

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

2L = N \ cdot \ lambda

En optisk resonator fungerer således som et kamfilter, der forstærker eller svækker visse på hinanden følgende frekvenser.

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:

\Delta \nu ={\frac {c}{2L}}

\Delta \nu ={\frac {c}{2L}}

\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 $\Delta \nu ={\frac {c}{4L}}$ $\Delta \nu ={\frac {c}{4L}}$ $\Delta \nu = \frac{c}{4L}$ halbiert.

Die Halbwertsbreite $\Delta$ $\Delta$ $\Delta$ der Maxima ist

\Delta ={\frac {\mathrm {FSR} }{\mathcal {F}}}

\Delta ={\frac {\mathrm {FSR} }{\mathcal {F}}}

\Delta = \frac{\mathrm{FSR}}{\mathcal{F}}

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

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

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

\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 TEM ₀₀ -Mode

TEM-Profile bei zylindrischen Resonatoren

Verschiedene Intensitätsprofile für einen Resonator mit rechteckigen Spiegeln (TEM _xy )

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 TEM ₀₀ -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 TEM _xy -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.

Eigenschaften von Laserstrahlung

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

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

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 CO ₂ -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 ^[8] beschrieben. Das Schawlow-Townes-Limit ^[9] ist eine vierfache Näherung dieser fundamentalen Laser-Linienbreite. ^[8]

Lasertypen nach der Signalform

Dauerstrich

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

Laserstrahlung von Dauerstrichlasern ( englisch continuous-wave laser, cw-laser ) ist im Idealfall schmalbandig (monochrom, einfarbig), dh, 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 . ^[1]

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

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 ). ^[1]

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 ua bei der instantanen Kerr-Linsen -Modenkopplung ( englisch Kerr 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.

Einteilung anhand des Lasermediums

Grobe Einteilung von Lasertypen

Laser

Gas

Farbstoff

Ionen

Metalldampf

neutrales
Nichtmetall

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.

Anwendungen

Eine Laserharfe

Laserbeschriftetes Schaltkreis -Gehäuse aus Keramik ; Zeichenhöhe 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 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. ^[10] 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. ^[11]

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 ua 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 perLight 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 ^[12] 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 ( englisch Laser 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. ^[13] 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

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.

Laserklassen

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. ^[14]

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 ( 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 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. ^[15]
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 ^[16] 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

Literatur

Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist: Laser. 7. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 3-8351-0145-5 .
Jürgen Eichler , Hans Joachim Eichler : Laser. Bauformen, Strahlführung, 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.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin / New York 2005, ISBN 3-11-015714-4 , S. 827 f.

Weblinks

Commons : Laser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Laser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Laser in der Encyclopedia of Laser Physics and Technology (engl.)
Verschiedene Typen von Halbleiterlasern – Übersicht der verfügbaren Wellenlängen von Halbleiterlasern
Sam's Laser FAQ – Sammlung technischer Dokumentationen und Reparaturanleitungen (engl.)
LaserFest – Website der American Physical Society anlässlich des 50. Jubiläums des Lasers (engl.)
Laser – Licht in Formation, Video zum Laser auf Youtube, eingestellt von der Max-Planck-Gesellschaft
Video: Was ist ein Laser? . Leibniz Universität Hannover 2011, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi :10.5446/393 .

Siehe auch

Liste der Lasertypen

Einzelnachweise

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Patrick Voss-de Haan:Laser. In: spektrum.de. 1998, abgerufen am 7. November 2019 .
↑ FK Kneubühl, MW Sigrist: Laser. 3. Auflage. Teubner, 1991, S. 4.
↑ TH 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, WR Bennet, DR 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, HJ Eichler: Laser – Bauformen, Strahlführungen, 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 .
↑ AL Schawlow, CH 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. – grüner 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. März 2000, abgerufen am 14. Dezember 2017 (englisch).
↑ 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, 31 f .
↑ 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 Abwendungsreaktionen des Menschen gegenüber sichtbarer Laserstrahlung (PDF; 120 kB).).

[Voss-de_Haan-1] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Patrick Voss-de Haan:Laser. In: spektrum.de. 1998, abgerufen am 7. November 2019 .

[2] FK Kneubühl, MW Sigrist: Laser. 3. Auflage. Teubner, 1991, S. 4.

[3] TH 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, WR Bennet, DR 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, HJ 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.

[Pollnau2020-8] 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 : 10.1016/j.pquantelec.2020.100255 .

[Schawlow1958-9] AL Schawlow, CH Townes: Infrared and optical masers . In: Physical Review . 112, Nr. 6, 1958, S. 1940–1949. doi : 10.1103/PhysRev.112.1940 .

[10] Burkhard Dick, Ronald D. Gerste, Tim Schultz: Femtosecond Laser in Ophthalmology. Thieme, New York 2018, ISBN 978-1-62623-236-5 .

[11] Metastudie der Cochrane Library

[12] Non-Lethal Ocular Disruptor. – grüner Blendlaser. In: alfalight.com (PDF)

[13] Homogenisierung von Laserstrahlen (PDF; 567 kB).

[14] 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. März 2000, abgerufen am 14. Dezember 2017 (englisch).

[15] 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, 31 f .

[16] 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 Abwendungsreaktionen des Menschen gegenüber sichtbarer Laserstrahlung (PDF; 120 kB).).

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