Inhaltsangabe Referat „LASER“
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Inhaltsangabe Referat „LASER“ - Aufbau und Funktionsprinzip / Laserarten (Seite 2-7) - Lasersicherheit (Seite 7) - Anwendungen (Seite 8-22) - in der Medizin (Seite 8-10) - in der Nachrichtentechnik (Seite 10-13) - in der optischen Datenverarbeitung und –speicherung (Seite 13-17) - in der Materialbearbeitung und Produktion (Seite 17-19) - von Höchstleistungslasern (Seite 19-21) - in der Holographie (Seite 21) - Zeittafel (Seite 22) - Glossar (Seite 22) - Quellenangabe (Seite 23) Zusatzblätter: - zum Kapitel Aufbau und Funktionsprinzip (Abb. 1 „Grafik eines Laserrohres“) zum Kapitel Aufbau und Funktionsprinzip (Zusatzblatt „Elektromagnetisches Frequenzspektrum“) zum Kapitel Lasersicherheit (Abb. 2 „Klassifizierung von Lasereinrichtungen nach VBG 93“) zum Kapitel Lasersicherheit (Zusatzblatt „Laserwarnhinweise“) 1 Laser Das Wort LASER ist die Abkürzung für Light amplification by stimulated emission of radiation. Zu deutsch bedeutet das Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Aufbau und Funktionsprinzip: Ein Laser besteht aus dem Laserkopf und dem Laserversorgungsteil. Der Laserkopf (Abb.1 ) umfaßt das Lasermaterial (gegebenenfalls mit der Anordnung, die dieses Material zusammenhält, z.B. für den Fall, daß das Lasermedium nicht stabil ist) und den Resonator, der auf die Wellenlänge des Lasers abgestimmt ist. Der Resonator besteht aus mindestens zwei Spiegeln, die das Licht durch das Lasermaterial (=Lasermedium) senden und somit den Laserstrahl produzieren. Außerdem enthält der Laserkopf noch eine Vorrichtung, die die zugeführte Energie in das Lasermedium lenkt und dieses damit anregt. Wie entsteht der Laserstrahl? 1. Als erstes wird die über das Netzteil zugeführte Energie dazu verwendet, das Lasermedium anzuregen (das Fachwort für diesen Prozeß lautet "pumpen"). Dieses kann auf vielerlei Art geschehen, zwei Beispiele sind eine Gasentladung (bei Gaslasern) oder durch einen anderen Laser (z.B.: Farbstofflaser). Genau betrachtet, bedeutet das Pumpen nichts anderes, als daß ein oder mehrere Elektronen in eine höhere Umlaufbahn um das Atom gebracht werden. 2. Nun wird das von einer Bogen- oder Blitzlampe eingestrahlte Licht mittels des Resonatorapparates durch das Lasermedium gelenkt. 3. Sobald das Licht auf die Atome, Ionen oder Moleküle des Mediums trifft, werden diese zum Aussenden von Strahlung gezwungen. Durch die vorher zugeführte Energie ist der austretende Strahl energiereich: ⇒ Laserstrahlung tritt aus! Laserstrahlen erzeugt man also durch erzwungene (= induzierte) Lichtemission. Deren Kennzeichen sind: • ein sehr hoher Grad der Gleichphasigkeit des Austritts der Laserstrahlwellen aus der Austrittsfläche. • eine nahezu konstante, für jeden Lasertyp charakteristische, Frequenz und Wellenlänge. (siehe Blatt „elektromagnetisches Frequenzspektrum“) Verschiedene Arten von Laser: Je nachdem, welchen Stoff (Lasermedium) man anregt, unterscheidet man zwischen: 1) Gaslaser: Atomare und molekulare Gase können durch elektrische Entladungen zur Emission von Licht angeregt werden. Dies wird in den Gaslasern ausgenutzt. Man unterscheidet: Atomare Laser (He-Ne-Laser, Metalldampflaser) Infrarot-Moleküllaser (CO2-Laser) Ionenlaser (Argonlaser) Ultraviolett-Moleküllaser (Excimer-, N2-Laser) (Chemische Laser - besitzen nur geringe Bedeutung) 2 2) Atomare Laser: a) He-Ne-Laser: Der Helium-Neon-Laser ist der am häufigsten verwendete und der wirtschaftlichste Laser. Die Leistung kommerzieller Typen reicht von unterhalb 1mW bis zu einigen 10mW und ist damit relativ gering, reicht aber für viele Anwendungen (zum Vergleich: die Lichtleistung einer 60W-Glühbirne beträgt etwa 1 Watt; die Intensität, d.h. die Helligkeit einer bestrahlten Fläche, eines 1mW-Lasers mit einem Strahldurchmesser von etwa 1mm, ist aber um viele Zehnerpotenzen höher, da der Laser nur auf einen Punkt zielt, während die Glühbirne in alle Richtungen strahlt). Der He-Ne-Laser strahlt rotes Licht, es gibt aber auch Versionen in den Farben orange, gelb und grün und welche im infraroten Bereich. Letztere werden aber zunehmend durch Diodenlaser verdrängt. Die Wellenlänge des He-NeLasers liegt zwischen 3392nm (infrarot) und 543,5nm (gelb). b) Metalldampflaser: Eine höhere Leistung als die He-Ne-Laser besitzen die neutralen Metalldampflaser. Die wichtigsten Vertreter sind der Kupfer- und der Golddampf-Laser. Die Wellenlängen liegen im gelben und grünen (Cu) sowie im roten und ultravioletten (Au) Bereich. Die Leistungen gehen bis in den 10W-Bereich. Beide Laser haben einen hohen Wirkungsgrad (bis 1% für Cu) sowie eine Arbeitstemperatur um 1500°C, bei der geringe Mengen des Metalls verdampfen. Sobald dies geschieht, wird ein Edelgas unter geringem Druck zugesetzt und eine gepulste Gasentladung gezündet. Durch die Elektronen der elektrischen Entladung werden die Metallatome angeregt, so daß sie Laserstrahlung emittieren können. Die Pulsfolgefrequenz von einigen kHz kann so hoch sein, daß ein kontinuierlicher Eindruck entsteht. Kontinuierlicher Betrieb (Dauerstrichbetrieb / cw) ist wegen der langen Lebensdauer des unteren Laserniveaus nicht möglich. Eigenschaften von kommerziellen Cu- und Au-Lasern: Wellenlänge mittlere Leistung Pulsenergie Pulsdauer Spitzenleistung Pulsfrequenz Strahldurchmesser Strahldivergenz Einheit Nanometer (nm) Watt (W) Millijoule (mJ) Nanosekunden (ns) Kilowatt (kW) Kilohertz (kHz) Millimeter (mm) Radianten (rad) Cu-Laser 510,6 / 578,2 60 10 15…60 < 300 5…15 40 0,6.10-3 Au-Laser 627,8 10 2 15…60 50 6…10 40 0,6.10-3 Infrarot-Moleküllaser: CO2-Laser: Der Kohlendioxid-Laser ist einer der wichtigsten Laser für industrielle Anwendungen. Er zeichnet sich durch eine hohe Leistung im kontinuierlichen Betrieb (bis zu 100kW) und einen großen Wirkungsgrad (10-20%) aus. Für wissenschaftliche und medizinische Anwendungen gibt es Versionen mit geringerer Leistung bis herunter zu 1W. Im Pulsbetrieb können Laserpulse im Bereich von ns bis ms erzeugt werden. Für Anwendungen in der Kernfusion wurden Pulsenergien bis etwa 100kJ erreicht. Es gibt eine größere Anzahl konstruktiver Varianten des CO2-Lasers, die alle ihre technische und kommerzielle Bedeutung haben. Die Wellenlänge des CO2-Lasers liegt zwischen 9µm und 11µm. Das Lasergas ist ein Gemisch aus CO2, Stickstoff (N2) und einem Zusatz von etwa 70% Helium. Das Edelgas dient zur Stabilisierung der elektrischen Entladung im Laserrohr und der Stickstoff zur Energieübertragung auf die CO2-Moleküle. Das Gasgemisch wird durch das Laserrohr gepumpt, da in der Entladung unerwünschte chemische Reaktionsprodukte entstehen (wie 3 z.B.: Kohlenmonoxid). Werden zur Oxidierung von CO zu CO2 Katalysatoren, ähnlich wie im Auspuff eines Automotors verwendet, kann das Laserrohr abgeschlossen werden. Die Anregung der oberen Laserniveaus in CO2 geschieht durch Stöße mit N2 und Elektronen. Ähnlich wie der CO2-Laser funktioniert der seltenere CO-Laser, der bei 5µm strahlt. Ionenlaser: Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Edelgasionenlasern und Metalldampfionenlasern (Cd, Se). Bei allen Ionenlasern handelt es sich um Gasentladungslaser, ähnlich den neutralen Atomlasern. Ein Ion ist ein Atom, bei dem ein oder mehrere Elektronen aus den äußeren Bahnen abgelöst ist. Das Ion ist folglich positiv geladen, wobei die Ladung einer oder mehrerer Elementarladungen (1,602 x 10-19As) entspricht. Die verbleibenden Elektronen können wie in einem Atom angeregt werden und Laserlicht emittieren. Da zu jedem Atom mehrere Ionen gehören ergibt sich durch deren Existenz eine Vielzahl von zusätzlichen Laserlinien. Edelgasionenlaser: Mit den ionisierten Edelgasen Ne, Ar, Kr und Xe wurde in Gasentladungen auf über 250 Linien im Spektralbereich von 175nm bis etwa 1100nm Lasertätigkeit erzielt. Je höher der Ionisationszustand ist, desto kürzere Wellenlängen entstehen. a) Argonlaser: Der Argonionenlaser, welcher Leistungen von 60W (ultraviolett) bis 100W (Blaugrün) liefern kann, stellt einen der wichtigsten kommerziellen Lasertypen dar. Die Gasentladung wird mit einem so hohen Strom betrieben, daß bei einem beträchtlichen Anteil der Atome jeweils ein Elektron weggerissen wird: Aus dem Atom entsteht ein Ion. Das Ion im angeregten Zustand ist für die Emission der Laserstrahlung verantwortlich. Die Strahlung des Argonlasers liegt im grünen und blauen Spektralbereich. Die einzelnen Farben können durch Drehen eines Prismas im Resonator eingestellt werden. Die typischen Strahlleistungen betragen einige Watt, wofür eine elektrische Leistung von mehreren Kilowatt aufgewendet werden muß. Wegen der hohen Stromdichten ist die Technologie der Argonlaser kompliziert. An die Werkstoffe werden hohe thermische Anforderungen gestellt und um das wassergekühlte Laserrohr wird eine Spule gewickelt, die ein axiales Magnetfeld erzeugt. Dadurch wird der Entladungsstrom in der Rohrmitte gehalten. Ähnlich ist der Kryptonlaser aufgebaut, der rote Strahlung liefert. Vermischt man Argon und Krypton und erzeugt einen Laserstrahl, entstehen verschiedene Farben zwischen rot und blau. Metalldampfionenlaser: Neben den Edelgasionenlasern existieren zahlreiche weitere Gaslaser, die auf Übergängen in Ionen beruhen. Technische Bedeutung hat allerdings bisher nur der HeCd-Laser, ein Metallionenlaser. Da Metall verdampft wird, handelt es sich um einen Gaslaser. b) He-Cd- und He-Se-Laser: Kontinuierliche Emission vom infraroten bis zum ultravioletten Spektralbereich kann mit Cadmium- und Selen-Ionen erreicht werden. Zur Anregung des Laserniveaus und zum Betrieb der Gasentladung enthalten diese Laser zusätzlich Helium. Aus Übergängen in Cd-Ionen werden 11 Laserlinien von 887,7nm bis 325,0nm und in Se-Ionen 46 Laserlinien von 1258,6nm bis 446,8nm beobachtet. Die Anregung des Cadmiums bzw. des Selens gelingt in einer Glimmentladung mit Helium in Entladungsgefäßen aus Quarzglas oder in Hohlkatodenentladungen. Im ersten Fall wird der Metalldampfdruck durch Heizen (Cd: 350°C, Se: 270°C) eines Metallreservoirs in der Nähe der Anode erzeugt. Durch die entladungsbedingte Drift der Metallionen zur Kathode stellt sich im Entladungsrohr ein gleichmäßiger Metalldampfdruck von etwa 8Pa ein. 4 Die aktive Länge der Entladungsrohre beträgt bis zu einem Meter. Die Rohre haben einen Radius von etwa 1mm oder mehr. Bei einem Heliumdruck von etwa 800Pa sind zum Betrieb des He-Cd-Lasers etwa 150mA und zum Betrieb des He-Se-Lasers 500mA Entladungsstrom notwendig. Kommerziell werden He-Se-Lasern mit 1-5mW Ausgangsleistung im Spektralbereich von 460-650nm vertrieben. Die gewünschten Wellenlängenbereiche werden durch entsprechende Spiegel eingestellt. Die Ausgangsleistung kommerzieller He-Cd-Laser beträgt bei 325nm 1-8 mW und bei 441,6nm bis zu 60mW. Durch gleichzeitigen Betrieb der roten, grünen und blauen Linien kann weiße Laserstrahlung erzeugt werden. Die Lebensdauer abgeschmolzener He-Cd-Laser beträgt 6000 Stunden oder mehr (UV-Betrieb: etwa die Hälfte). Die Begrenzung der Lebensdauer erfolgt meist durch Verunreinigung der Entladung, Cd-Niederschläge an der Optik oder anderen Stellen, sowie Gasaufzehrung des Heliums. Der Wirkungsgrad von etwa 0,01% liegt bei dem des He-Ne- und Ar-Lasers. Die Laser sind in der Regel luftgekühlt. Der He-Cd-Laser kann dort eingesetzt werden, wo die Farbe des He-Ne-Lasers nicht richtig oder die Leistung etwas zu klein ist. Ulraviolettmoleküllaser: Gepulste Lasertätigkeit im ultravioletten Spektralbereich wird bei Übergängen zwischen Elektronenenergieniveaus in Molekülen erzielt. Dabei werden vorwiegend zweiatomige stabile Moleküle wie H2, N2 und Excimere als aktive Medien eingesetzt. Excimere sind Moleküle, die nur kurzzeitig im angeregten Zustand existieren und nach Übergang in den Grundzustand schnell zerfallen. Wellenlängen der wichtigsten UV-Moleküllaser: Molekül XeF 351…353 N2 337 XeCl 308 Br2 291 XeBr 282 KrF 248 KrCl 222 ArF 193 CO 181…197 ArCl 175 Xe2 172 H2, D2, HD 150…162 F2 158 Kr2 146 Ar2 126 Wellenlänge in nm Excimerlaser (Excimer = Abkürzung für excited dimer, zu deutsch "angeregtes zweiatomiges Molekül"): Edelgase gehen keine stabilen chemischen Verbindungen ein, daher tragen sie das Attribut edel. Bringt man jedoch ein Edelgas (Neon, Argon, Krypton, Xenon) mit aggressiven Molekülen wie Chlor, Fluor oder Brom in einem Behälter zusammen und zündet durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Gasentladung, so entstehen für kurze Zeiträume Moleküle wie Argonfluorid (ArF). Diese Moleküle existieren nur im angeregten Zustand und 5 auch so nur für circa 10-8s (0,00000001 s). Sie zerfallen unter Aussendung von intensivem Laserlicht in den Grundzustand, den es eigentlich nicht gibt (d.h. ArF zerfällt in Ar und F). Das ausgesandte Laserlicht liegt im UV-Bereich, und wird für viele Anwendungen in Wissenschaft, Materialbearbeitung und Medizin verwendet. Die Laser können verständlicherweise nur gepulst (10 bis 100 Pulse) arbeiten, da die Excimersubstanzen durch ihren schnellen Zerfall keinen Dauerstrichbetrieb zulassen. Ihre Leistung liegt circa bei 10 Watt, bei Sonderausführungen für Materialbearbeitung wurden schon mehrere 100 Watt erreicht. Der Aufbau von Excimerlasern erweist sich als äußerst kompliziert, da es durch die Aggressivität der Halogene (F, Cl, Br) zu Materialproblemen kommt. Nach einer Betriebszeit von nur wenigen Stunden muß das Gemisch aus dem Laser abgepumpt werden und es erfolgt eine neue Füllung. Die allerneuesten, vor allem in Deutschland entwickelten, Modelle besitzen abgeschlossene Rohre, bei denen kein Gasaustausch notwendig ist. N2-Laser Die Stickstofflaser funktionieren ähnlich wie Excimerlaser, doch entfallen bei ihnen, da keine aggressiven Substanzen vorhanden sind, die Materialprobleme. Der Aufbau ist deswegen relativ einfach, deshalb werden N2-Laser gerne in Laboren selbstgebaut. Der Laser liefert kurze Pulse mit einer Wiederholfrequenz von etwa 100Hz, wobei die Pulsdauer im Nanosekundenbereich liegt. Die stärkste Laserlinie im Spektrum besitzt die Wellenlänge 337nm (UV-Bereich), und sie eignet sich besonders gut zum Pumpen von Farbstofflasern. Der Nachteil der N2-Laser liegt darin, daß der Stickstoff zugeführte Energie nur sehr schlecht speichert, so daß die Pulsenergie des Lasers auf maximal 10mJ beschränkt ist. Daher und weil der Wirkungsgrad der N2-Laser nur 1 Promille beträgt werden meist die komplizierteren Excimerlaser bevorzugt. Die Entladung des Gases beim N2-Laser erfolgt meist quer zur Strahlrichtung des Lasers. Die meisten Stickstofflaser benötigen einen kontinuierlichen Gasfluß, wofür eine Vakuumpumpe eingesetzt wird. Das Gas sollte absolut reiner Stickstoff sein (Ansonsten kann es zu Verschiebungen in der Wellenlänge kommen). Die Pulsdauer des Lasers ist stark von den Druckverhältnissen im Inneren abhängig. Bei Erdatmosphärendruck beträgt sie 0,3ns bei 103Pa bereits 20ns. Die Kohärenzlänge des N2-Lasers beträgt ungefähr 1mm. Wegen dem notwendig hohen Verstärkungsfaktor besitzt der Strahl keine gute Qualität. Er ist unpolarisiert und bildet sich bei N2-Lasern höherer Leistungen aufgrund von transversalen Entladungen rechteckig ab. 2) Festkörperlaser: Das aktive Medium bei den meisten Festkörperlasern besteht aus Kristalloder Glasstäben von einigen cm Länge und wenigen mm Durchmesser, welche mit optisch wirksamen Ionen dotiert sind. Dabei werden meist Übergangsmetalle wie Cr (Rubin- oder Alexandrit-Laser), Ni, Co oder seltene Erden wie Nd, Er oder Ho verwendet. Die Laserstrahlung entsteht in inneren ungefüllten Schalen, die weitgehend vom Kristallfeld abgeschirmt sind. Die Laserstrahlen liegen im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich. Während Gas- und Moleküllaser durch Gasentladungen angeregt werden, erfolgt die Energiezufuhr bei Festkörperlasern meist durch Blitz- oder kontinuierliche Bogenlampen. Man nennt diesen Vorgang optisches Pumpen. Das eingestrahlte Pumplicht wird von den Atomen absorbiert, mit denen der Kristall dotiert ist. Oftmals wird der Name des Lasers durch die Atomart statt durch den Namen des Kristalls bestimmt; z.B.: Nd-Laser, Er-Laser, HoLaser. Der Kristall selbst ist hauptsächlich Träger für die eingebauten Atome, verändert jedoch auch die Energieniveaus der Atome. Das absorbierte Licht wird auf das obere Laserniveau übertragen, und beim Zerfall der Atome entsteht die Laserstrahlung. 6 a) Neodymlaser: Der wichtigste Festkörperlaser ist der Nd-Laser, bei dem die Strahlung in Nd-Atomen entsteht, mit denen der Kristall dotiert ist. Oft werden YAG-Kristalle (YttriumAluminium-Granat) benutzt, die künstlich aus einer Schmelze gezogen werden. Der Laser strahlt im nahen infraroten Bereich bei Wellenlängen um 1,06µm. Im kontinuierlichen Betrieb liegen die Leistungen bei einigen 10 Watt für die Medizin und bei einigen Kilowatt in der Materialbearbeitung. Als Neuentwicklung der letzten Jahre entstanden Neodymlaser, die mit winzigen Halbleiterlasern optisch gepumpt werden. Diese zeichnen sich durch hohen Wirkungsgrad und hervorragende Strahlqualität aus. Auch gepulste Neodymlaser besitzen Bedeutung in Wissenschaft, Medizin und Materialbearbeitung. Durch besondere technische Maßnahmen gelingt es, die Pulsdauer in den Nanosekundenbereich zu reduzieren. Innerhalb dieser kurzen Zeit kann das System Leistungen von mehreren Gigawatt aussenden. Die Energie berechnet man aus Leistung mal Zeit. Für 1ns und 1GW erhält man 1Ws, was wenig erscheint aber einen sehr kräftigen Lichtpuls darstellt. Durch Verfahren der Frequenzvervielfachung in Kristallen kann die Strahlung des Nd-Lasers in den sichtbaren und ultravioletten Bereich verschoben werden. b) Rubinlaser: Rubin ist ein Kristall aus Aluminiumoxid (Al2O3 = Saphir), der seine rötliche Färbung durch einen 0,5 prozentigen Zusatz von Chrom erhält. Damit werden im Kristallgitter ungefähr 1019 Al3+- durch Cr3+-Ionen ersetzt. Diese Atome sind für die Laserstrahlung bei 0,69µm im Rotbereich verantwortlich. Der Rubinlaser wird vorwiegend gepulst angeregt und heute vorwiegend in der Holographie verwendet. c) Vibronische Festkörperlaser: Ähnlich wie Farbstofflaser können vibronische Festkörperlaser auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden. Dabei haben sie einen stabilen Aufbau und eine intensivere Emission. Durch den Einfluß von Gitterschwingungen (daher der Ausdruck “vibronisch”) werden die Laserlinien spektral so breit, daß der Laser Strahlung verschiedener Wellenlänge aussenden kann. Durch Veränderung des Resonators, z.B. kippen eines optischen Reflektionsgitters, wird die Wellenlänge kontinuierlich verändert. Beim Titan-Saphir-Laser liegt der Bereich zwischen 0,7 und 1µm, beim Alexandritlaser zwischen 0,7 und 0,8µm. Lasersicherheit: Als oberstes Sicherheitsgebot ist zu beachten, daß Laserlicht Augenschäden anrichten kann. Daher ist es zu empfehlen, nie direkt in den Laserstrahl zu sehen. Als direkter Blick sind alle Sehbedingungen unter denen das Auge der Laserstrahlung ausgesetzt ist (ausgenommen Betrachtung ausgedehnter Quellen) zu interpretieren. Unter Sicherheit versteht man in diesem Belang alle notwendigen Maßnahmen, um Unfälle mit Lasern zu vermeiden (Abb. 2): Beschilderung (siehe Blatt Laserwarnhinweise): Jede Lasereinrichtung muß Schilder tragen, die entsprechend den Anforderungen der folgenden Abschnitte beschriftet sind: Die Schilder müssen ihrem Zweck entsprechend dauerhaft angebracht, lesbar und während des Betriebs und der Service- und Wartungsarbeiten deutlich sichtbar sein. Jede Lasereinrichtung muß ein Hinweisschild, das die entsprechende Laserklasse bezeichnet, tragen, außerdem müssen laserspezifische Hinweise angebracht sein (z.B. “Streustrahlung vermeiden”). Weiter müssen an allen entfernbaren Schutzgehäusen und Abdeckplatten Gefahrenhinweise befestigt sein. Als Informationen für den Benutzer müssen Anweisungen für den richtigen Zusammenbau, die Wartung und den sicheren Betrieb, Warnungen, Angaben über Strahldivergenz, Impulsdauer, maximale Ausgangswerte der Laserstrahlung, Hinweise auf alle 7 Laserstrahlaustrittsöffnungen, Justiereinrichtungen und Energieversorgung mitgeliefert werden. Anwendungen: 1) Medizin: Jede neu entdeckte Art von Strahlung wurde bisher von den Medizinern begierig aufgegriffen, um sie auf ihre therapeutische oder diagnostische Wirkung hin zu untersuchen (z.B.: Röntgen- oder γ-Strahlung). Sichtbares Licht wird in der Medizin seit Jahrhunderten eingesetzt, ebenso wie Licht der benachbarten ultravioletten und infraroten Spektralgebiete. Inzwischen ist die Lasertechnik in nahezu alle medizinischen Fachgebiete eingedrungen. Bei jeder neuen Anwendung der Lasermedizin mußten und müssen folgende Kriterien geprüft werden: • Ist die Lasertherapie effektiver, weniger schmerzhaft und komplikationsärmer für den Patienten als konventionelle Methoden? • Ist sie für den Operateur und das Personal einfacher zu handhaben? • Verkürzt sich durch die Laseroperation der Aufenthalt im Krankenhaus? • Kann der höhere Kostenaufwand für das Lasergerät durch spezielle Vorteile gegenüber anderen Behandlungsmethoden gerechtfertigt oder ausgeglichen werden? • Werden mit dem Laser bisher unmögliche Behandlungen möglich? Gegenwärtig hat die Medizin einen Anteil von etwa 20% am gesamten nichtmilitärischen Lasermarkt. Methoden der Lasermedizin: Durch die Entwicklung unterschiedlicher Lasertypen haben sich später neuartige biologische Effekte und medizinische Methoden entwickelt. Folgende Laser setzt man in folgenden medizinischen Zweigen ein: Medizinischer Zweig Lasertypen Onkologie Nd:YAG, CO2, Farbstofflaser Zahnheilkunde Er:YAG Ophthalmologie Ar+, Kr+, Excimer, Ho:YAG, Nd:YAG (Puls) Pulmologie Nd:YAG Angioplastie Nd:YAG (Puls), Er:YAG, Farbstofflaser Gastroenterologie Ar+, Nd:YAG Dermatologie Ar+, CO2, Farbstofflaser Gynäkologie Nd:YAG, CO2 Urologie Nd:YAG, Alexandrit HNO Nd:YAG, CO2, Er:YAG Neurochirurgie CO2, Nd:YAG Folgende Verfahren werden heute eingesetzt: • Schneiden mit dem “Laserskalpell” (Wärmewirkung) • Koagulieren (Erhitzung von organischem Gewebe bis das Eiweiß gerinnt) zur Gewebsvernichtung (Wärmewirkung) • Verschweißen von Schichten und Gefäßen (Wärmewirkung) • Abtragen von Gewebe (Photablation = Abtragen von Oberflächenmaterial durch intensive gepulste Laserstrahlung, ohne daß Wärme weitergeleitet wird) • Zerreißen von Strukturen (Photodisruption = Zerstörung durch funkenartigen Überschlag) • Bestrahlen von Gewebe (photochemische Wirkungen = durch Laserlicht ausgelöste chemische Reaktionen) • Biostimulation (photochemische Reaktionen) 8 Der Arzt entscheidet, mit welchem Verfahren er das medizinische Problem angeht. Für die Entscheidung sind folgende Parameter von Bedeutung: • Laserleistung und Leistungsdichte • Bestrahlungsdauer • Wellenlänge, welche die Eindringtiefe in das Gewebe bestimmt Sichtbare Laserstrahlung und infrarotes Licht bis 3 µm Wellenlängen können durch Glasfasern geleitet werden. Damit kann die Strahlung auch in Blutgefäße, den Magen und andere Körperhöhlen eingeführt und dort gezielt eingesetzt werden. Dies geschieht oft in Verbindung mit optischen Beobachtungssystemen, den Endoskopen, so daß eine gezielte Behandlung auch im Körperinneren möglich ist. Schneiden ohne Blutung: Hauptsächlich wird der CO2-Laser mit einer Leistung von etwa 50 W zum Schneiden eingesetzt, der eine Wellenlänge von 10,6 µm hat, eingesetzt. Diese liegt im infraroten Bereich und die Strahlung dringt nicht sehr tief ins Gewebe ein. Zum chirurgischen Schneiden wird die Laserstrahlung mittels einer Linse fokussiert, so daß ein Brennfleck mit etwa 0,1 mm Durchmesser entsteht. Dort steigt die Temperatur schnell auf mehrere 100°C an, so daß das Gewebe verdampft. Durch die Wärme koaguliert das Gewebe am Schnittrand und kleine Blutgefäße verschließen sich. In der Chirurgie wird mit Lasern geschnitten, in den Fällen, in denen es nicht bluten soll und eine hohe Präzision erforderlich ist (z.B. Entfernung von Hirntumoren). Koagulieren von Gewebe: Die Strahlung des Nd:YAG-Lasers (infrarot) besitzt eine Wellenlänge von 1,06 µm und dringt einige mm ins Gewebe ein. Die Energie wird auf ein größeres Volumen als beim CO2-Laser verteilt, daher steigt die Temperatur nur langsam. Der Temperaturanstieg führt zu Koagulation, d.h. zur Zerstörung wichtiger Moleküle. Mediziner benutzen den Laser mit 50 W zur präzisen Vernichtung von bösartigem Gewebe (Tumore, …). Ein großer Vorteil gegenüber dem CO2-Laser liegt in der einfacheren Handhabung, da der Nd:YAG-Laserstrahl durch Quarzfasern geführt werden kann. Verschweißen durch Koagulation: Für das Wiederanschweißen der Netzhaut wird vor allem der Ar-Laser verwendet: Man richtet den Strahl auf die defekte Stelle, schaltet dann den Strahl des 2 W-Lasers, der auf einen Durchmesser von 2 µm fokussiert ist, für einige Zehntelsekunden ein. Durch den Temperaturanstieg koaguliert und verklebt sich das Gewebe mit dem Untergrund. Auch Gefäßwände werden durch Koagulieren verschweißt. Durch die Hitzewirkung werden Adern dauerhaft verbunden. Abtragen von Gewebe durch Photoablation: Durch einen gepulsten Laser wird Gewebe präzise weggerissen, so daß die darunterliegenden Schichten nichts davon spüren. Das wird in der Mikrochirurgie (Hornhautschliff), in der Angioplastie (Öffnen verstopfter Blutgefäße, vor allem am Herzen) und in der Zahnheilkunde (Bohren) eingesetzt. Es werden hauptsächlich Er:YAG-Laser und Excimerlaser verwendet. Die Pulsdauer liegt meistens bei Nano- bis Millisekunden. Zerreißen durch Laserfunken: Fokussiert man die Strahlung eines kurzen, intensiven Laserpulses, so sammelt sich die Lichtenergie im Brennpunkt. Dort werden die Elektronen von den Atomen gerissen und es tritt Plasma in Form eines Funkens auf. Um den heißen Fokus wird das Gewebe zerrissen. Anwendungen sind in der Augenheilkunde (Zerreißen von trüben Strukturen im Augapfel) und in der Lithotripsie (Steinzertrümmerung). Verwendet werden gepulste Nd-Laser mit Pulsdauern von 10 ns und Pulsleistungen im MW-Bereich. 9 Bestrahlen in der photodynamischen Therapie: Dabei erhält der Patient den Farbstoff Haematoprophyrin Derivat in den Blutkreislauf eingebracht. Dieser lagert sich in Tumoren ab und bildet atomaren Sauerstoff, der mit Hilfe von Laserstrahlung (Au-Laser, mehrere Watt Leistung, tief ins Gewebe eindringender Strahl) den Tumor zerstören kann. Biostimulation und Akupunktur: Biostimulation ist die flächenförmige Bestrahlung von Gewebe mit sehr schwachen Lasern (mW-Bereich). Es gibt keine direkte Wirkung. Wird in vielen Bereichen der Medizin angewendet, u.a. Kosmetik. Die Akupunktur ist eine punktförmige Bestrahlung von Gewebe, ebenfalls ohne schulmedizinisch erwiesene Wirkung. Medizinische Anwendungsbereiche: • Augen • Hals, Nasen, Ohren • Harnsystem • Magen und Darm • Haut (Tätowierungsentfernung) • Gefäße • Zähne • Gehirn 2) Kommunikation durch Laserstrahlung (Telefonleitungen, Telekabel, Photonik, Glasfasern) Allgemein: In der modernen Nachrichtentechnik werden Sprache, Bilder und andere Daten in elektrische Signale umgewandelt, und lassen sich daher viel schneller übermitteln als auf "herkömmlichem" Weg. Zur Übertragung über große Entfernungen werden die elektrisch kodierten Nachrichten auf elektromagnetische Wellen moduliert, welche sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten (Lichtgeschwindigkeit: ~300.000 km/s). Auf dieser Technik beruht die Radio- und Fernsehtechnik, in der Wellen von 105 bis 109 Hz (Kilo-, Mega- und Gigahertzbereich) als Informationsträger benutzt werden. Die optische Übertragung von Nachrichten ist keinesfalls eine Neuheit, man denke nur an die Indianer, die ihre Nachrichten mittels Rauchsignalen weiterleiteten. Im auslaufenden 18. Jahrhundert wurde dieses doch recht einfache System in Frankreich abgewandelt: Ein optischer Telegraph mit speziellen Zeichen auf Signalmasten übermittelte eine Nachricht über 200 km in 15 Minuten. Bis vor wenigen Jahren war auch noch das Morsen mit Lichtsignalen oder das Buchstabieren mit dem Flaggenalphabet gebräuchlich (vor allem Militär). Diese zuverlässigen, aber doch recht langsamen Verfahren wurden im 19. Jahrhundert durch Telegraphie (z.B. Werner von Siemens, 1848), Telefon und noch später durch die drahtlose Nachrichtenübertragung mit Radiowellen ersetzt. Heute ist von diesen Verfahren vor allem das Telefon weltweit verbreitet. Dabei werden die in elektrische Impulse verwandelten Sprachsignale über Kupferdrahtleitungen, Koaxialkabel, Richtfunkstrecken und Nachrichtensatelliten geführt. Die Nachrichten- und Datenflüsse wachsen beständig weiter an. Wegen der immer größer werdenden Datenmengen werden die optischen Übertragungssysteme, wegen ihrer hohen Übertragungsrate, wieder aktuell. Die Elektronik wird dabei zunehmend durch die "Photonik" ersetzt. Das Grundprinzip dieser Technik ist immer dasselbe: Die zur Übertragung notwendige Strahlung (Beim "normalen" Kupferleitungstelefon entspräche dies den Elektroimpulsen) wird durch lichtemittierende Dioden (LEDs) oder durch Halbleiterlaser erzeugt, und wird dann durch Glasfasern zum Empfänger geschickt. Die am häufigsten verwendeten Frequenzen der Trägerwelle betragen 10 einige hundert Terahertz (1 THz = 1012 Hz), denn diese Wellen können besonders große Datenmengen übertragen. Im Moment sind neue Technologien in der Entwicklung, die in Zukunft Telefon, Computer, Fernsehen und andere Medien verknüpfen werden. Ein Schritt dahin sind ISDN-Leitungen und Internetanschlüsse über die normale Elektrosteckdose. Laser in der Kommunikation: Ein großes Problem bei der Laserkommunikationstechnologie ist, daß die Laserstrahlen, die zu Satelliten gelangen soll im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen nicht wetterunabhängig sind. Daher wird die Laserstrahlung meist für solche Anwendungen nicht verwendet (statt dessen elektromagnetische Wellen), da schon mittelstarker Nebel die Sichtweite des Lasers auf einige wenige Meter reduziert. Daher werden auch die "ebenerdig" verwendeten Laserstrahlen meist durch dünne Glasfasern geleitet. Anders verhält es sich im freien, athmosphärenlosen Weltraum: Hier gibt es nichts Bekanntes (im den Menschen bekannten Raum), daß gebündelte Laserstrahlung aufhalten könnte. Die Telefonnetze innerhalb Europas werden momentan mit Glasfaser- und Lasertechnologien nachgerüstet (In Österreich bereits 18.000 km Lichtleitfasern, In Deutschland 80.000 km). Beim Telefon wird die Druckwelle des Schalls im Mikrophon der Sprechmuschel in elektrische Signale umgewandelt; Es entsteht eine Wechselspannung, welche Tonhöhe und Lautstärke der Sprache exakt widerspiegelt. Zur Übertragung werden diese sogenannten analogen Signale oft digital kodiert. Die Digitaltechnik zeichnet sich nämlich durch eine wesentlich geringere Anfälligkeit gegenüber Störungen aus. Die Umsetzung des elektronischen Signals in ein optisches erfolgt mit Hilfe eines Halbleiterlasers. Dieser ähnelt zwar den um einiges billigeren Leuchtdioden, zeichnet sich aber durch gerichtete Abstrahlung, höhere Leuchtdichte und bessere spektrale Reinheit aus. Bei digitaler Kodierung wird der Laser ein- und ausgeschaltet, je nachdem ob eine logische Eins oder Null übertragen wird. Bei der Übersendung analoger Nachrichten wird die Lichtleistung des Lasers kontinuierlich gesteuert. Die Laserstrahlung wird dann in eine optische Faser eingekoppelt, die sich direkt vor dem Laser befindet. Die Abmessungen sind winzig, der Querschnitt der Emissionsfläche beträgt nur etwa 0,1 µm * 1 µm. Da der Laserstrahl den Faserkern möglichst genau treffen sollte, werden höchste Anforderungen an mechanischer Genauigkeit beim Aufbau gestellt. In der Faser selbst breitet sich die Strahlung annähernd verlustlos aus. Da in der Glasfaser der Effekt der Totalreflexion eintritt, wird das Licht vom Rand ständig in den Kern reflektiert, da im Zentrum die Brechzahl größer als am Rand ist. Bei speziellen Fasern tritt erst nach 100 km (!) ein wesentlicher Strahlungsverlust auf. Am Ende der Übertragungsstrecke wird die Strahlung durch eine Photodiode in eine elektrische Spannung zurück gewandelt. Dann kann das Signal auf konventionelle Art dekodiert und weiter elektronisch verarbeitet werden, indem es beispielsweise in der Ohrmuschel des Hörers in Sprache umgesetzt wird. Teilweise werden Photodioden auch als Teile von Relaisstationen verwendet, wo das Signal durch einen anderen Halbleiterlaser weiter geschickt wird. Auf diese Weise können die Signale viele tausend Kilometer ohne großartigen Qualitätsverlust gesendet werden. Digitale Kodierung: Zur Digitalisierung von Signalen wird eine analoge Spannung in regelmäßigen Abständen abgetastet und gemessen. Der entsprechende Spannungswert wird über einen sogenannten Analog-Digital-Wandler in eine Digitalzahl umgesetzt. Beim normalen Telefon reichen 8 bits aus, so daß 256 (= 28) verschiedene Signalwerte dargestellt werden können. Liegt die 11 Signalspannung z.B. zwischen 0 und 10 V so wird diese durch die Digitalisierung mit 8 bit in Schritten von 40 mV gemessen. Beim Telefonieren wird die Sprache in einem Frequenzbereich bis maximal 4 kHz übertragen. Nach einem allgemeinen Theorem der Nachrichtentechnik muß die Abtastung mit mindestens der doppelten Frequenz erfolgen. Es wird also mit 8 kHz eine Folge von 8 bit gesendet, d.h. 64000 bit/s. Beim Fernsehen beträgt die Bandbreite statt 4 kHz etwa 4 MHz, folglich liegt die Übertragungsrate um den Faktor 1000 höher als beim Telefonieren. Eine Glasfaser ist in der Lage mehrere Fernsehkanäle und dementsprechend einige 1000 Telefongespräche gleichzeitig zu senden. Die Faserkabel, die bei der Laserleitung verwendet werden, werden meist von einem Kunststoffmantel umgeben, der Streustrahlung aufhält und zur längeren Haltbarkeit des Glasfaserkabels beiträgt. Die einzelne Glasfaser hat einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern. Daher werden meist 12 Glasfasern zu einem Faserband verbunden, und 12 Faserbänder ergeben ein Glasfaserkabel (mit 144 einzelnen Glasfasern). Dementsprechend hoch ist die Kapazität dieser Kabel: Ein Kabel ist im Stande mindestens 100.000 Telefongespräche gleichzeitig zu übertragen. Bauelemente der Glasfasertechnik sind: • Glasfaser (meist Kabel mit 144 Fasern) • Halbleiterlaser • Empfangsdiode • zahlreiche elektronische und spezielle optische Systeme, wie Strahlweichen, Modulatoren oder optische Schalter. Die verwendeten Halbleiterlaser sind meist Laser mit Halbleiterstrukturen auf Basis von GaAs oder InP mit Wellenlängen um 0,9 bzw. 1,3 und 1,5 µm und Laserleistungen von etwa 1 mW. Die spektrale Bandbreite liegt um 1 nm (Sie sollte möglichst klein sein, da die Laufzeit in der Faser von der Wellenlänge abhängt). Meistens verwendet man Laser deren aktive Zone möglichst schmal und der Geometrie der Faser angepaßt ist (Buried-heterostructure-Laser). Das Schalten der Laser erfolgt direkt über den Anregungsstrom. Die Empfangsdiode (= Photodiode) besteht aus Si oder aus einem ähnlichen Halbleitermaterial wie bei den Lasern. Vorteile der optischen Nachrichten- und Übertragungstechnik: Die Menge der übertragbaren Daten hängt von der Frequenz der Trägerwelle ab. Deshalb ist Licht mit einer Frequenz der optischen Datensignale von etwa 200 THz besonders gut dafür geeignet. Die gesamte optische Bandbreite, die für die Signalübertragung bei Verwendung von Lasern mit 1,3 und 1,5 µm zur Verfügung steht, beträgt etwa 25 THz. Das ist bedeutend mehr als bei elektronischen Breitbandsystemen mit 10 GHz Trägerfrequenz, die z.B. durch Koaxialkabel realisiert werden. Mit Licht als Trägerschwingung erhöht sich damit die übertragbare Datenmenge um mehr als den Faktor 1000. Optische Fasern sind bezüglich Übersprechen von Nachbarfasern unempfindlich, abhörsicher und wesentlich kompakter als elektronische Kabel oder Lichtleiter bei hoher Frequenz. Auch die Übertragungsverluste sind geringer, und es werden weniger Relaisstationen benötigt. Optische Kabel besitzen nur eine äußerst geringe Anfälligkeit bezüglich äußeren elektromagnetischen Störeigenschaften (Da elektronische Leitungen bei Atombombenentladungen durch den sogenannten elektromagnetischen Sturm, der Spannungsimpulse auf die Drähte legen könnte, zerstört werden können, investierte vor allem das Militär wegen obig genannter Eigenschaft am Anfang hohe Summen in diese Technologie). heutzutage wird die optische Datenübertragung hauptsächlich in zivilen Bereichen verwendet: 12 • Zur Übertragung von Telefongesprächen und Fernsehprogrammen ("Kabel") • Zum Verbinden von Großrechnern oder elektronischen Baugruppen mit hohen Datenraten • Im Umfeld von starken elektromagnetischen Störfeldern oder hohen elektrischen Spannungen. 3) Optische Datenverarbeitung und -speicherung Allgemein: In der heutigen Zeit wird nahezu alles mit Computern bearbeitet, gelenkt, etc.… . Folglich stellt die Informatik eine der wichtigsten Entwicklungen überhaupt dar. Sprache, Bilder, Zahlen, Daten und viele andere Informationspartikel werden heute in großem Umfang elektronisch gespeichert, bearbeitet und zur Steuerung von Prozessen verwendet. Auch optische Technologien dringen zunehmend in die Bereiche der Informationsverarbeitung und -speicherung ein und eröffnen neue Möglichkeiten (ScienceFiction-Begriff "Optronik"). Als Vorbild für jegliche “künstlich” hergestellte optische Datenverarbeitung dient selbstverständlich das Auge, sei es vom Menschen oder vom besser sehenden Tier. Das Auge funktioniert perfekt, aber gleichzeitig doch verständlich einfach: Durch die Augenlinse strömt das Licht, das von dreidimensionalen Objekten abgestrahlt wird, ins Auge und bildet sich auf dem Augenhintergrund ab. Auf der Netzhaut entsteht ein zweidimensionales Bild, das von Nervenzellen in elektrische Signale umgewandelt und im Gehirn gespeichert und verarbeitet wird (Die Wissenschaftler streiten darüber in welcher "Übertragungsform" die Signale weitergeleitet werden, ob sie in der, auch in den Computern gebräuchlichen, binominalen oder in einer anderen Form übertragen werden). Das Linsensystem im Auge erfüllt zahlreiche Funktionen: Durch Variation der Brennweite werden verschiedene Objektabstände scharf auf die Netzhaut abgebildet, der Lichtstrom auf der Netzhaut wird durch die Pupille geregelt, durch Beobachtung mit beiden Augen aus unterschiedlichen Richtungen entsteht ein räumlicher Eindruck, durch Bewegung der Augen werden bewegte Objekte erfaßt. Die Möglichkeiten der Bilderfassung und -verarbeitung durch das Auge werden durch Brillen, Lupen, Mikroskope und Fernrohre erheblich erweitert. Die Entwicklung dieser Geräte begann im Mittelalter und wurde im 19. Jahrhundert zu einer hohen Blüte getrieben. Die Theorie des Mikroskops und dessen Auflösungsvermögen bildet die Grundlage verschiedener optischer Datenverarbeitungssysteme. Das Mikroskop wurde 1673 von A. von Leenwenhock entwickelt, von Christian Huyghens 1684 weiterentwickelt, so daß das zweilinsige Okular entstand. Ernst Abbe (1840-1905) erweiterte die theoretischen Grundlagen dieser Geräte, die Carl Zeiss in Jena mit immer höherer Qualität und höherem Auflösungsvermögen herstellte. Besonders Mediziner und Biologen waren begeistert von dem neuen Gerät, das neben dem Fotoapparat ein Verkaufsschlager unter den optischen Geräten wurde. Das Mikroskop stellt ein zweistufiges System dar, in dem durch zweimalige FourierTransformation ein Bild des Objekts erzeugt wird. Nach der ersten Fourier-Transformation kann in der Brennebene des Objektivs die Lichtverteilung durch Blenden und Masken verändert werden, wodurch sich das Bild in charakteristischer Weise ändert. Diese Versuche von Abbe stellten erste Beispiele für eine rein optische Bildverarbeitung dar. Fritz Zernicke (1888-1966, 1953 Nobelpreis Physik) hat diese Ideen weitergeführt und durch Einfügen einer sogenannten Phasenplatte in die Objektivbrennebene eines Mikroskops ursprünglich unsichtbare Phasenstrukturen von Objekten dem Auge sichtbar gemacht. Damit war das erste rein optische Phasenkontrastverfahren entwickelt. 13 Die Erfindung der Holographie (1948 Dennis Gabor, USA; 1971 Nobelpreis Physik) und des Lasers durch Maiman im Jahre 1960 haben der optischen Bildverarbeitung starke Impulse gegeben. Durch die Reinheit der neuen Lichtquelle Laser konnten zahlreiche Verfahren zur Bildtransformation und Filterung entwickelt und optische Methoden der Bilderkennung durch Korellationstechniken entwickelt werden. Die Bilder sind dabei aber nicht immer gegenständliche Objekte, sondern können auch zweidimensionale Datenfelder darstellen. Die Bild- und Datenverarbeitung geschieht bei den bisher erwähnten Verfahren analog, d.h. die Daten sind stetige Funktionen des Ortes und der Zeit. Diese analogen Techniken werden hauptsächlich zur Bearbeitung zweidimensionaler Bilder eingesetzt. Die analoge optische Bildverarbeitung beruht auf zwei grundlegenden mathematischen Operationen, nämlich der Multiplikation und der Fourier-Transformation. • Multiplikation: Wird ein Objekt mit einer Lichtwelle bestrahlt, so gibt die Lichtintensität unmittelbar hinter dem Objekt dessen Konturen originalgetreu wieder. Es entsteht auf einer Beobachtungsfläche (= Schirm) in der Nähe ein objektähnlicher Schatten. Diese Operation wird auch beim Diaprojektor verwendet. Die Lichtintensität hinter dem Objekt entspricht dem Produkt aus Intensität der Lichtquelle und Durchlässigkeit des Objekts. Der Durchgang von Licht durch ein teildurchlässiges Objekt stellt damit die optische Realisierung der mathematischen Operation "Multiplikation" dar. Damit können riesige zweidimensionale Datenfelder multipliziert werden, die aus bis zu 1 Million Zahlen bestehen können (1000*1000): Dabei verwendet man beispielsweise zwei Flüssigkristallschichten, die übereinander liegen, auf welche Zahlen grauförmig als Matrizen gespeichert werden. Dann werden beide Schichten mit Licht durchstrahlt, und das Produkt der Multiplikation wird mittels eines Detektorfelds registriert. Der Vorteil dieser doch recht kompliziert anmutenden Operation ist, daß im Gegensatz zu elektronischen Systemen riesige Datenmengen parallel verarbeitet werden können. Außerdem wird die Rechenoperation in äußerst kurzer Zeit durchgeführt, nämlich in der Zeit, in der das Licht durch das Objekt strahlt. Bei einer Dicke von 0,1 mm der Flüssigkristallschichten beträgt diese 300 Femtosekunden (= 3*10-13 s). Diese hohe Leistung ist mit elektronischen Systemen kaum realisierbar. • Fourier-Transformation: Mit einer Linse oder einem Objektiv kann man einen Gegenstand betrachten, wie zum Beispiel beim Auge oder Diaprojektor. Das Abbild des Dias befindet sich mehrere Meter entfernt auf einem Schirm. Wird jetzt der Schirm näher herangeführt, so wird das Bild sehr schnell unscharf, und nach kurzer Zeit kann man nichts mehr erkennen. Bringt man den Schirm mit dem Abbild bis in die Brennebene vor dem Objektiv so tritt die sogenannte Fourier-Transformation auf: So heißt die mathematische Verknüpfung die zwischen der Lichtverteilung am Dia und dem verschwommenen Abbild herrscht. Wenn man sich die Information des Dias als feine Rasterlinien vorstellt, gibt die FourierTransformation Auskunft über die Verteilung der Abstände der Linien. Die Fourier-Transformation nützt man zum Beispiel in der Radartechnologie aus (in Verbindung mit dem Dopplereffekt) Aus der elektronischen Datenverarbeitung (EDV) ist bekannt, daß analoge Verfahren eine begrenzte Genauigkeit besitzen. Daher werden vor allem digitale Verfahren verwendet. In der EDV werden daher zu verarbeitende Größen als rationale Zahlen dargestellt (z.B. 1,2,3,4,...). Diese erlauben eine beliebige Genauigkeit. Nun wird versucht auch in der ODV (optischen Datenverarbeitung) digitale Verfahren zu finden. Man versuchte eine Möglichkeit zu finden, die elektronischen Rechner durch digitale optische zu ersetzen. Da die Entwicklung aber nur sehr langsam vorangeht, sieht man die 14 optische Datenverarbeitung nicht mehr als Ersatz sondern vielmehr als Ergänzung der elektronischen. Optische Digitalrechner: Erst in den Achtzigerjahren wurden optische Digitalrechner zu einem Forschungsziel. Das Ziel die elektronischen Rechner zu verdrängen, ist zwar in weiter Ferne, doch die erhofften Kapazitäten der optischen Systeme sind beeindruckend: Während elektronische Rechner 10100 Millionen Rechenoperationen in der Sekunde schaffen (Parallelrechner sogar 1-10 Milliarden), sollen die optisch-digitalen Rechner mindestens tausendfach höhere Rechnungsleistungen bieten. Ein optischer Digitalrechner könnte zum Beispiel so aufgebaut sein: Die Daten werden über eine Art Tastatur, die mit einer Lichtquelle (Laser?) verbunden ist, eingegeben. Das Licht gibt die Daten durch steuerbare Masken oder durch Modulation über Glasfasern dem Zentralrechner weiter. Dort werden sie miteinander verknüpft und/oder verarbeitet. Die benötigten Verknüpfungen erfolgen in elektronischen Prozessoren durch Transistoren, die verschiedene logische Operationen durchführen. Es werden auch schon optische Transistoren entwickelt. Dabei steuert ein schwächerer Lichtstrahl einen stärkeren, durch Schalter, Resonatoren, etc. Doch momentan werden in der optischen Datenverarbeitung kaum Laser eingesetzt, daher ist obiges als kleiner Exkurs zu sehen, doch in heutigen Peripheriegeräten ist der Laser oftmalig eingesetzt. Vor allem in Dateneingabe (Scanner), -weiterleitung (Glasfaser) und -ausgabe (Drucker, Faxe) ist der Laser heute nicht mehr wegzudenken: Dateneingabe: Optoelektronische Auswertesysteme werden zum Lesen von Strichcodes, Texten und Zeichnungen verwendet. Weit verbreitet sind Strichcodelesegeräte und Scanner zur Identifizierung von Waren und Preisen in Geschäften und zur Kennzeichnung von Büchern in Universitäten und Bibliotheken. Die "Ware" wird dazu mit einem Symbol, einem sogenannten Barcode, gekennzeichnet, das aus parallelen Strichen unterschiedlicher Dicke besteht. Mit dem Scanner wird ein Laserstrahl über den Strichcode geführt, dann wird die zurückgestrahlte Strahlung gemessen. Diese besteht aus verschieden starken Impulsen unterschiedlichen Abstandes, die mittels eines Photodetektors in ein elektrisches Signal umgewandelt und ausgewertet werden. Früher verwendete man hauptsächlich He-Ne-Laser, während heute kompakte Laserdioden verwendet werden. Ein Strichcode besteht aus hellen und dunklen Balken, die die Digitalzahlen 0 und 1 darstellen. Diese Balken kann man wie das Binominalzahlensystem interpretieren und damit beliebige Zahlen bilden. Die europäische Norm von Strichcodes ist das EAN (Europäisches Artikelnummerierungssystem), das den Vorteil besitzt, vom Laser sowohl vorwärts, als auch rückwärts gelesen werden zu können. Mit optischen Scannern für Computer können Papierseiten bis zu einem Format von DIN A3 eingegeben werden. Im Grunde funktionieren sie wie Strichcodelesegeräte, nur daß kein Code gelesen wird, sondern die ganze Seite als Bitmuster gespeichert wird und von Computeralgorithmen auf Zeichen untersucht wird. Dadurch wird der Seiteninhalt so konvertiert, daß man ihn am Computer bearbeiten kann. Zu den optischen Eingabe- und Aufzeichnungsgeräten zählt sicher auch die Laserkamera, die vor allem in Medizin und Biologie verwendet wird. Damit kann man Bildsignale eines 15 Computertomographen (CT) oder Magnetresonanzgeräts (MR) sichtbar machen. Das Funktionsprinzip entspricht dem des Laserdruckers (siehe weiter unten), doch wird hier anstatt der Drucktrommel ein lichtempfindlicher Film vorbeigeführt, belichtet und dann ausgegeben. Die Bilder ähneln normalen Röntgenbildern. (Optische) Datenspeicherung: Daten können auf verschiedenste Weise optisch gespeichert werden. Man denke nur an Fotografie und Film, die seit letztem Jahrhundert bekannt sind. Doch es existieren auch viel aktuellere Erfindungen dazu: Die Technologie der optischen Compact Disks begann in den späten 60er Jahren durch die Firmen Bosch (Berlin) und Philips (Eindhoven). Bereits im Jahre 1973 (!) gab es den ersten optischen Videoplattenspieler zu kaufen. Zum Abtasten der noch störungsanfälligen Platten wurde ein He-Ne-Laser verwendet, der sich noch heute in solchen Geräten bewährt. Dieser frühe optische Datenspeicher hatte aber auf dem Markt keine Chance gegen die konventionelle magnetische Aufnahme/Wiedergabetechnik. 1976 begann Philips in Kooperation mit Sony die erforderliche Elektronik für optische Speichersysteme zu entwickeln. Damit wurde der erste Grundstein für die heutigen CDs gelegt, die erst in der Mitte der 80er Jahre einen durchschlagenden Erfolg hatten. Die Datenspeicherung auf einer CD erfolgt, wie bei der Schallplatte, durch eine Abfolge von Hebungen verschiedener Länge und Abstände. Diese Erhebungen, auch "Pits" genannt, gehen aber nur in den Micrometerbereich (µm). Die Pits werden von einem fokussierten Strahl eines Diodenlasers (mit weniger als 1 Milliwatt Leistung) abgetastet, aber im Gegensatz zur normalen Schallplatte erfolgt dies berührungslos und nahezu verschleißfrei. Zur Verbesserung der Abtastung ist die Platte einschließlich der Pits mit einer Metallschicht verspiegelt. Ist an der angestrahlten Stelle kein Pit, so wird der Laserstrahl reflektiert und von einem Photodetektor registriert. Befindet sich jedoch ein Pit dort, so wird der Laserstrahl abgelenkt, und der Photodetektor empfängt kein Licht mehr. Dieses stetige Hin und Her wird in "1" und "0", also digitale Signale, umgewandelt und kodiert. Anschließend werden die Signale verstärkt und dann zu einem Lautsprecher geführt, der die Musik wiedergibt. Normale käufliche CDs sind nicht aufnahmefähig und daher auch nicht wiederbeschreibbar, aber es gibt CDs die mit einer wiederbeschreibbaren Silberfolie statt der Metallschicht ausgestattet sind (Allerdings ist das private "Brennen" von CDs nicht billig, und auch die Qualität des Aufgenommenen leidet darunter). Bei kommerziellen CDs werden die elektrischen Tonsignale etwa 44.000 mal pro Sekunde abgetastet und die momentanen Spannungen in etwa 65.000 Stufungen digital kodiert (Das entspricht 16 bit). Durch diese hohe Genauigkeit werden auch kleinste Veränderungen in Lautstärke und Tonhöhe registriert und wiedergegeben. Folglich ist die Qualität viel besser als bei der veralteten Magnetbandtechnik (1927 erfunden). Die Lizenz für Compact-Disks wurde zwecks Konkurrenzfähigkeit an mehrere Unternehmen erteilt, unter der Bedingung, daß ein einheitliches Format beibehalten wird. Durch das und durch ihre großartige Wiedergabefähigkeit hatte die CD Magnetbänder und Schallplatten bald verdrängt. Die Herstellung der CD erfolgt durch einen Argon- oder Kryptonlaser mit einigen Watt Leistung. Der Strahl wird durch ein Objektiv auf einen Durchmesser, der geringer als ein Micrometer ist, gebündelt. Eine photoempfindliche Schicht, die sich auf einer rotierenden Scheibe befindet, wird im Takt der digitalen Informationen belichtet. Nach einer chemischen Behandlung entstehen an den belichteten Stellen durch Verätzen Vertiefungen. Dann wird eine Preßmatrix hergestellt und die CD-Rohlinge werden mit dem Pitmuster gepreßt. Dann wird der Rohling mit einer Aluminiumschicht verspiegelt, und mit einer nur 5-10 µm dicken Lackschicht versehen, die gegen Schmutz schützen soll. 16 Die Speicherkapazität einer CD reicht für etwa 75 Minuten Musik, oder als CD-ROM (ROM… Read only Memory = Festspeicher) für 700-750 Megabyte. Durch die Lasertechnologie öffnen sich viele weitere Möglichkeiten der optischen Datenspeicherung. Zum Beispiel läßt sich die Speicherkapazität einer CD durch Verkürzen der Laserwellenlänge erhöhen, da die minimalen Abmessungen der Pits durch die Wellenlänge gegeben sind. Durch neuentwickelte frequenzverdoppelende Halbleiterlaser läßt sich die Speicherkapazität etwa vervierfachen (!). Doch diese Technologie ist noch in der Testphase. Eine weitere Erhöhung der CD-Speicherkraft wird von holographischen Speicherverfahren erhofft. Dabei werden die Informationen nicht mehr in einer dünnen Schicht, sondern im Volumen photorefraktiver Kristalle gespeichert wird. Diese seit Jahren in der Entwicklung steckende Technologie soll die Speicherdichte um viele Größenordnungen anheben. Datenausgabe: Aber nicht nur in Dateneingabe und -speicherung werden Laser verwendet, auch die Datenausgabe mit Hilfe von Lasern wurde in den letzten Jahren weiterentwickelt. Zum Beispiel verwendet man Laser in Zeichenplottern, die nicht mehr auf Papier sondern auf spezielle Folien zeichnen. Doch auch in der "Druckerei" werden Laser verwendet: Beim Laserdrucker wird zuerst eine Drucktrommel negativ aufgeladen. Durch Laserbeschuß entsteht eine punktuelle Entladung, so daß ein Licht entsteht. Dabei beschreibt der sich parallel zur Trommel bewegende Laser diese. Wenn sich nun die Trommel an der Patrone mit Tonersubstanz vorbeibewegt, nimmt sie negativ geladene Tonerteilchen mit. Dann kommt die Trommel mit dem Papier in Berührung, dem sie durch Hitze und Druck die Tonerteilchen fest aufdruckt. Während das bedruckte Papier ausgegeben wird, wird die Trommel durch Lichteinstrahlung von der negativen Aufladung und den restlichen Tonerpartikeln befreit. Damit man farbige Ausdrucke herstellen kann, benötigt man einen Laserdrucker mit drei hintereinander geschalteten Drucktrommeln, die die Tonerfarben rot, grün (selten gelb) und blau beinhalten. Der Laserdrucker benötigt eine sehr exakte Steuerung, daher ist diese fast immer elektronisch. Die meisten Laserdrucker haben eine Auflösung von 300-1200 dpi (dots per inch bzw. Bildpunkte pro Zoll = 2,5 cm). Bei 300 dpi wird die Bildseite damit in 8 Millionen Bildpunkten dargestellt. Die Geschwindigkeit eines Laserdruckers hängt vor allem von der Elektronik ab, die die “Vorarbeit” übernimmt, denn das Druckwerk selbst ist außerordentlich schnell. Normalerweise gibt ein Laserdrucker im Privatgebrauch 10-25 Seiten pro Minute aus, in der professionellen Druckindustrie bis hin zu 240 Seiten. 4) Materialbearbeitung und Produktion Mit gebündelter, intensiver Laserstrahlung lassen sich beliebige Materialien bohren, schneiden, schweißen oder anders bearbeiten. In der Natur ist kein Material bekannt, daß Laserstrahlung dauerhaft “Widerstand leisten” kann. Die Laserstrahlung wird an der Oberfläche eines Materials absorbiert und in Wärme umgewandelt. Sofern der Strahl genug Energie beinhaltet, schmilzt das Material an dem Auftreffpunkt. Diesen Effekt kann man in Industrie und Technik sehr oft ausnutzen, zum Beispiel um eine nicht abfeilbare Seriennummer in ein Werkstück einzubrennen, oder um durch Schmelzen und Erstarren zwei 17 Einzelteile zusammenzuschweißen. Natürlich ist die kostenaufwendige Lasertechnologie den herkömmlichen Verfahren überlegen, ansonsten würde man ja diese verwenden. • Der erste Vorteil ist sicher, daß der Laserstrahl sehr genau fokussiert werden kann (bis in den µm-Bereich). • Weiters kann ein Laserstrahl leicht durch Glasfasern oder über Spiegel geführt werden, daher ist es nicht schwer einen Laser mit einem Fertigungsroboter zu verbinden. • Laserverfahren arbeiten praktisch ohne Werkzeugverschleiß, daher können sehr spröde und harte Materialien bearbeitet werden. Das einzige wirkliche Problem besteht in den Kosten für die aufwendigen Geräte. Auf dem weltweiten Werkzeugmarkt liegt der jährliche Jahresumsatz etwa bei 670 Milliarden ÖS. Die Laser haben dabei einen Marktanteil von circa 3 %, mit sehr großen Wachstumsraten. Die wichtigsten Laser für die Materialbearbeitung sind CO2- und Nd:YAG-Laser, für spezielle Anwendungen auch Excimerlaser (Siehe Arten von Lasern). Die wichtigsten Einsatzgebiete sind: • Beim Laserschneiden von Blechen, z.B. für Autokarosserien wird das Material zum Schmelzen gebracht. Das flüssige Material wird weggeblasen, bei Verwendung von Sauerstoff wird die Schnittgeschwindigkeit dazu sehr erhöht, weil durch die Oxidation zusätzliche Wärme entsteht. Schneidelaser können hochkomplizierten Bahnen folgen, die mit herkömmlichen Diamantschleifscheiben nur linear geschnitten werden könnten. Weitere Vorteile ergeben sich auch beim Schneiden von beschichteten Blechen, organischen Fasermaterialien, Kunststoffen, Keramik, Glas oder drahtverstärkten Gummiteilen. In der Automobilindustrie werden Schneidelaser bevorzugt in der Entwicklung neuer Karosserieteile eingesetzt, da die Schnittmuster sehr schnell und einfach verändert werden können. • Beim wärmeleitenden Laserschweißen wird ein Laserstrahl so auf die beiden Werkstücke gerichtet, daß sie "nur" schmelzen, aber kaum verdampfen. Die beiden Stücke liegen an der Schweißnaht aneinander, und wenn das Geschmolzene nun erstarrt, sind die beiden Stücke zu einem geworden. Beim Tiefenschweißen mit Lasern liegt die Temperatur über dem Siedepunkt der Schweißlinge, so daß die Schmelze durch den Druck des Dampfes in der Schweißnaht bewegt wird. Die Schmelze zirkuliert und wird sogar teilweise über die Materialoberfläche gehoben, wodurch eine "Schweißraupe" entsteht. Der Vorteil beim Tiefenschweißen ist, daß die Schweißnaht nur minimale Verunreinigungen aufweist. Anfangs gab es bei einigen Metallen, wie z.B. Aluminium, Probleme, da die Zähigkeit der Schmelze zu gering war, und sie daher abfloß. Durch Vorwärmen konnte aber auch dieses Problem beseitigt werden. Durch das Laserschweißen konnte beispielsweise im Automobilbau eine Materialersparnis von etwa 5 kg erzielt werden, da durch die hohe Präzision des Verfahrens die Überlappungen der Schweißnähte geringer ausfallen. Auch beim Schweißen an unzugänglichen Stellen hat sich das Laserschweißen dank seiner Präzision bewährt. Das Verfahren wird auch in der Elektroindustrie zum Verbinden verschiedener Materialien eingesetzt. • Bohren • Die Oberflächenbehandlung mit Lasern wird oftmals eingesetzt um Massenprodukte chemisch und mechanisch zu verbessern, aber auch um den visuellen Eindruck zu verschönern. Dabei werden die Laser hauptsächlich eingesetzt um die Oberfläche zu härten, zu beschichten und/oder zu legieren. Dieses Verfahren hat sich erst in den letzten Jahren durchgesetzt. Auf das Werkstück wird eine pulverförmige Substanz (meist Bor oder ein Karbid) aufgebracht, die durch Laserstrahlung mit der Oberfläche verschmolzen wird. Sofern man das Ganze schnell abkühlt entsteht eine äußerst harte und feinkörnige 18 Oberfläche. Es entsteht eine neue Legierung, die für ihren späteren Zweck bessere Eigenschaften aufweist als die alte Oberflächensubstanz. Viel einfacher ist das Verfahren der Lagerhärtung, einer Weiterentwicklung der klassischen Wärmebehandlung. Dabei wird die Oberfläche erhitzt und dann schnell abgekühlt. Dadurch geht das Material meist in eine härtere Phase über, die eine feinere Kristallstruktur aufweist. Die Umwandlung darf aber nicht zu tief ins Innere des Werkstücks vordringen, da dieses ansonsten spröde wird oder sich verzieht. Durch den Einsatz von Lasern läßt sich das hervorragend vermeiden, da man mit dem Laser sehr gezielt arbeiten kann. Anwendungen finden sich z.B. beim Härten von Zahnrädern oder Ventilen und Zylinderwänden von Verbrennungsmotoren. Wenn man die Oberflächenbehandlung mit einem gepulsten Laser durchführt und dann schnell abkühlt entsteht eine glasartige, amorphe Phase, die äußerst hart ist. Das Verfahren heißt Laserglasierung. • Widerstandsabgleichen • Beschriften • Das viel weniger spektakuläre, aber wirtschaftlich wichtige Markieren mit dem Laser wird sehr häufig angewandt. Das Hauptziel dabei ist es, eine nicht entfernbare Beschriftung anzubringen. Angewendet wird das bei der Kennzeichnung von Bauteilen, bei optischen Präzisionsinstrumenten, beim Schreiben von Strichcodes oder auch beim einfachen Beschriften von Kugelschreibern. Daneben ist der kriminalistische Wert zu nennen, schließlich wird damit die Chance einer illegalen "Besitzüberschreibung" minimiert. Die Leistungen der Industrielaser für Materialbearbeitung liegen zwischen 100 W und 25 kW. Bei kompletten Maschinen wird die Laserstrahlung meist über einen Bearbeitungskopf zugeführt, der eine Linse zur Fokussierung und/oder einen Sensor zur Feineinstellung besitzen kann. Die Bearbeitung erfolgt aus Sicherheitsgründen oftmals hinter schützenden Glasscheiben. Außerdem herrscht in diesem Glasverschlag oft ein stetiger Gasstrom, der verhindern soll, daß verdampftes Material an der Oberfläche kondensiert. Für die Lasertechnologie gibt es in der Industrie sehr viele Anwendungsbereiche. Als erstes wurden sie in der Mikrotechnologie beim Bohren kleiner Löcher in Lagersteinen für mechanische Uhren oder beim Löten dünner Drähte in der Elektronik (Chip-Industrie) verwendet. Mit zunehmender Leistung wurden auch die Werkstücke größer: Aus den meisten Autoindustriebetrieben sind Laser nicht mehr wegzudenken, und auch beim Flugzeugbau spielen sie eine große Rolle. 5) Anwendungen von Höchstleistungslasern Laser mit hoher Kilowattzahl werden vor allem in der Materialbearbeitung eingesetzt (siehe oben). Höchstleistungslaser gehen darüber hinaus, ihre wichtigsten Anwendungsbereiche werden möglicherweise Kernfusion und Isotopentrennung sein. Das Militär interessiert sich natürlich im Bezug auf Strahlwaffen auch für die Höchstleistungslaser (Diese Perspektive läßt die meisten seriösen Forscher aber nur lächeln, da dies eher als Vision eines Science-FictionAutors zu sehen ist). Die heutige Energieversorgung geschieht zu einem Großteil aus Verbrennungskraftwerken (Ausnahme Österreich: Großteils Wasserkraft). Doch da diese erstens sehr umweltschädigend sind, und zweitens die dafür nötigen fossilen Brennstoffe irgendwann einmal zu Ende gehen werden, sucht man verzweifelt nach Alternativen. Als erstes wäre die Wasserkraft zu nennen, doch diese scheidet zum Beispiel in wasserarmen Staaten aus, außerdem zerstören Wasserkraftwerke Landschaftsbild, Lebensraum und Lebewesen. Als nächstes wären Windkraftwerke zu erwähnen. Diese sind allerdings vom Wind abhängig, der vom Menschen 19 nicht kontrollierbar ist. Folglich sind sie sehr unzuverlässig. Dann gibt es die Kernspaltungsenergie. Doch Kernkraftwerke sind trotz vieler Sicherheitsmaßnahmen gefährlich, und dazu bleiben radioaktive Abfälle über. Das waren die bereits realisierten Energiegewinnungsanlagen. Doch es gibt auch zahlreiche bis jetzt noch theoretische Projekte. Gezeitenkraftwerke wären eine Möglichkeit, die relativ leicht realisierbar wäre. Doch Gezeitenkraftwerke würden zwangsläufig Lebensräume und Lebewesen zerstören, nebenbei würden sie die internationale Schiffahrt behindern. Dann gibt es die Pläne für ein Erdwärmekraftwerk. Doch wie soll dabei effektiv Energie umgesetzt werden? Eine weitere Theorie ist die der Fusionsenergie. Diese ist wahrscheinlich sauber, und nicht allzu gefährlich. Auch die Sonne erzeugt Energie durch Fusion. Diese Erkenntnis gewann man 1930, als auch klar wurde, daß alle Elemente aus dem ersten Element Wasserstoff (H) entstanden sind. Die Theorie der Fusion ist so einfach wie die der Verbrennung: z.B. Kohlenverbrennung: C + O2 → CO2 + E (E steht für freiwerdende Energie) z.B. Fusion in der Sonne: 4H → He + E Aus vier einfachen Wasserstoffatomen wird ein Heliumatom, und dabei entsteht Energie. Diese Energie ist aber einige Millionen mal so groß wie die der Kohlenstoffverbrennung. Seit Jahrzehnten laufen auf der Erde Bemühungen ab, diesen Vorgang nachzuvollziehen. Als erstes geschah dies bei der unkontrollierten Explosion bei Wasserstoffbombentests, die als Opfer der Wissenschaft einige zehntausend Menschen radioaktiv verseuchten. Die kontrollierte Kernfusion soll als friedliches Mittel eingesetzt werden. Es gelang sogar schon eine Fusion durchzuführen, nur leider verbrauchte diese durch hochkomplizierten Aufbau mehr Energie als sie hergab. Nun wird auf die Kernfusion unter Einsatz von Höchstenergielasern gehofft: Dabei wird mittels eines Laseroszillators und hoher Verstärkung soviel Energie zur Verfügung gestellt, daß wenn damit sogenannte Pellets (=kleine Brennstoffkugeln) von allen Seiten bestrahlt werden, eine Miniatursonne gebildet wird. Die Kernverschmelzung muß allerdings so schnell erfolgen, daß sie abgeschlossen ist bevor die Kugel auseinanderbricht. Die Brennstoffkugel besteht aus einem Gemisch von Deuterium (schwerer Wasserstoff) und Tritium (radioaktiver superschwerer Wasserstoff). Für die Pellets werden noch verschiedene Bauformen getestet, wobei bei einer Bauform sogar verfestigtes Deuterium und Tritium eingesetzt werden. Doch bis jetzt ist eine Fusion unter Energiegewinnung noch nicht geglückt. Bei der Isotopentrennung mit Lasern nützt man eine Molekülvorstellung aus, bei der die Atome Massenkugeln sind, die mit Federn verbunden sind. Wird nun das System in Bewegung gesetzt, so fängt es an zu schwingen. Dabei existieren in jedem Molekül unterschiedliche energetische Schwingungszustände. Bei einer bestimmten Energie zerbricht das Molekül. Dieser Vorgang heißt Dissoziation. Normalerweise befinden sich Moleküle in der energetisch niedrigsten Stufe. Durch Laserstrahlung kann man energiereiche Schwingungen anregen. Das funktioniert besonders gut wenn die Energie eines Laserphotons genau der eines Schwingungszustandes entspricht, da hier Resonanz auftritt. Meistens verwendet man zur Anregung Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von etwa 10 µm. Dann wird das Molekül durch Strahlung gleicher oder anderer Wellenlänge dissoziiert, wobei mehrere Photonen absorbiert werden. Militärische Projekte in Verbindung mit Lasern waren von Anfang an zum Scheitern verurteilt, da die Technologie noch nicht so ausgereift ist. 1983 investierte z.B. der damalige US-Präsident Ronald Reagan Milliarden des Staatskapitals in die Strategic-Defense-Initiative 20 (SDI). Dabei wurden jene Milliarden der militärischen Laserforschung zugeführt, um ein Abwehrprogramm gegen (russische) Interkontinentalraketen zu entwickeln. Das ganze Projekt wurde ein einziges Chaos und wurde kurz nach dem Ende des kalten Kriegs auf Eis gelegt. Während der Forschung wurden chemische Laser, Excimer- und Freie-Elektronen-Laser als mögliche Weltraumwaffen getestet. Beim nicht direkten Einsatz von Lasern als Waffen, verlief die Entwicklung wesentlich erfolgreicher. So sind Laser heute vor allem als Zielsysteme für Raketen und Kanonen im Einsatz 6) Holographie (griech. holos = vollständig, graphein = schreiben) dreidimensionale Lichtbilder Durch Laserlicht können Objekte dreidimensional dargestellt werden, während normale Photographie nur zweidimensionale flache Bilder abbildet. Um das Prinzip der Holographie zu begreifen muß man wissen was Licht ist: Licht ist eine elektromagnetische Welle, ähnlich einer Wasserwelle. Der Abstand zwischen zwei Wellenbergen heißt Wellenlänge und gibt beim Licht die Farbe an. So hat zum Beispiel rotes Licht die Wellenlänge von 0,65 µm (lang) und blaues 0,5 µm (kurz). Die Sonne oder Lampen erzeugen Licht, daß dann in alle Richtungen ausgesendet, gestreut, absorbiert oder reflektiert wird. Von einem Gegenstand breitet sich dann eine Lichtwelle (=Objektwelle) aus. Aus dieser Schwingung kann man ablesen: • Die Wellenlänge, die die Farbe angibt. • Die Helligkeit ist durch die Amplitude (Höhe) der Schwingung gegeben. • Die dreidimensionale Struktur des Objekts ist in der Form der Wellenfronten gegeben. Das heißt es gehen von einem Gegenstand verschieden gekrümmte Wellen aus, die ihn beschreiben. Da der Mensch mit zwei Augen sieht, entsteht im Hirn ein dreidimensionaler Eindruck, weil man praktisch gleichzeitig von zwei verschiedenen Punkten Lichtwellen empfängt. Die Holographie ist jene Technik mit der es praktisch gelingt, dreidimensionale Objektwellen einzufangen und "einzufrieren". Wenn zu einem späteren Zeitpunkt das holographische Bild beleuchtet wird kann man den Gegenstand dreidimensional sehen. Das kann man auf einem Foto nicht. Die Holographie wurde von Dennis Gabor von 1948 bis 1951 entwickelt, dann von den beiden Amerikaner Leith und Upatnieks weiterentwickelt. Das Herstellen von einem Hologramm erfolgt wie bei der Fotografie durch Speicherung auf einer Photoplatte, jedoch nicht als Bild des Objekts. Die Lichtwellen bei einem Hologramm müssen sehr gleichmäßig strukturiert sein, daher verwendet man den Laser. Die Aufnahme eines Hologramms basiert auf dem Prinzip der Interferenz (Wellenüberlagerung). Der aufzunehmende Gegenstand wird mit dem Laser beleuchtet und strahlt eine gekrümmte Objektwelle ab. Diese fällt auf eine Photoschicht, die sehr feinkörnig sein sollte. Dort wird sie von einer ebenen Welle überlagert (Referenzwelle) und es entsteht ein kompliziertes Lichtmuster in Form einer Gitterstruktur. An manchen Stellen überlagern sich zwei Wellenberge und es herrscht Helligkeit. Dazwischen ist es dunkel, da Berg und Tal sich aufheben. Das Interferenzmuster wird in der Fotoschicht gespeichert, der Film wird belichtet und entwickelt. Das fertige Hologramm besteht aus hellen und dunklen Streifen. Der Abstand dazwischen beträgt nur etwa 1 µm, daher kann ihn das Auge nicht sehen. Würde man statt des Lasers eine normale Lampe verwenden, würde ein verwackeltes und verwischtes Muster entstehen, da die Wellen unregelmäßig sind. Daher können Hologramme in guter Qualität nur unter Verwendung eines Lasers aufgezeichnet werden. Zum Betrachten des Hologramms ist 21 eine Beleuchtung nötig, die der Referenzwelle ähnelt, ansonsten entsteht ein verwackeltes, unscharfes Bild, da sich die Wellen nur teilweise überlagern. Zeittafel: Wann Was 1917 Einführung des Begriffs der “stimulierten Emission” 1958 Vorschlag zur Lichtverstärkung durch stimulierte Emission im optischen Bereich 1959 Vorschlag zu Aufbau von Gaslasern 1959 Vorschlag zu Aufbau von Halbleiterlasern 1960 1961 1962 1964 1964 1964 1966 1970 1975 1977 1991 Erster Festkörper-(Rubin-)Laser (tiefrot) Erster He-Ne-Gaslaser Halbleiterinjektionslaser Argonlaser (blaugrün) CO2-Laser (infrarot) Nd:YAG-Laser Farbstofflaser kontinuierlicher Betrieb von Halbleiterlasern bei Zimmertemperatur Edelgas-Halogen-Excimerlaser Elektronenstrahllaser (FEL) Diodenlaser mit blauer Emission Wer A. Einstein A. L. Schawlow, C. H. Townes A. Javan N. G. Basov, B. M. Wul, J. N. Popov T. H. Maiman A. Javan M. I. Nathan, W. P. Duncke W. B. Bridges W. L. Faust J. E. Geusic P. P. Sorokin I. Hayashi G. A. Hart D. A. G. Deacon M. A. Haase Xe…Xenon YAG…Y3Al5O12 (Yttrium-AluminiumGranat) As…Amperesekunde cm…Zentimeter GW…Gigawatt kJ…Kilojoule kW…Kilowatt Hz…Hertz kHz…Kilohertz µm…Mikrometer mA…Milliampere mJ…Millijoule Glossar: Ar…Argon Au…Gold Br…Brom Cd…Cadmium Cl…Chlor Co…Kobalt CO…Kohlenmonoxid CO2…Kohlendioxid Cr…Chrom Cu…Kupfer Er…Erbium F…Fluor He…Helium Ho…Holmium Kr…Krypton N…Stickstoff Nd…Neodym Ne…Neon Ni…Nickel O…Sauerstoff Se…Selen mm…Millimeter mW…Milliwatt nm…Nanometer ns…Nanosekunde Pa…Pascal s…Sekunde W…Watt Ws…Wattsekunde 22 Quellenangabe: Laser - Grundlagen, Systeme, Anwendungen; H. J. und J. Eichler; 1991 Springer Verlag Laser; F. K. Kneubühl und M.W. Sigrist; 1989 Teubner Studienbücher Laser - Kurzlehrgang; R. Dändliker; 1986 AT Verlag HeNe-Laser-Praxis; Bauch und Silzner; 1991 Franzis Verlag Laser - Sicherheitstechnische Festlegungen für Lasergeräte und -anlagen; 1995 VDE-Verlag Unfallverhütungsvorschrift „Laserstrahlung“; VBG 1997 P.M. Perspektive - Laser; 1989 23 24 25 26 27 28
