💥 L wie Laser
Die Faszination für das Licht, seine Eigenschaften und die unzähligen Möglichkeiten, die es uns eröffnet, begleitet die Menschheit seit Jahrhunderten. Doch erst vor nicht allzu langer Zeit wurden die Grundlagen gelegt, die eine bahnbrechende Technologie ermöglichten: den Laser.
In diesem Artikel werden wir, als Spezialist für industrielle Laseranlagen, mit Ihnen auf eine faszinierende Reise durch die Ursprünge und die fundamentalen Konzepte des Lasers gehen. Lassen Sie uns gemeinsam die verschiedenen Arten von Lasern mit ihren unterschiedlichen Wellenlängen und Anwendungsbereichen kennenlernen. Lasersysteme haben die Macht, unsere Welt weiter zu verändern, und wir sind gespannt, welche neuen Horizonte sie für uns alle eröffnen werden!
Die Geschichte der Lasertechnologie
Die theoretische Grundlage für den Laser lieferte Albert Einstein 1917 mit seinem Prinzip der stimulierten Emission. In der Folgezeit versuchten Wissenschaftler immer wieder, Einsteins Theorie in der Praxis zu beweisen. Lange Zeit blieben sie dabei erfolglos.
Albert Einstein hatte sich intensiv mit dem Phänomen des Lichts beschäftigt. Ein Ergebnis seiner Überlegungen war, dass Licht aus einzelnen Energiepaketen bestehen könnte. Heute nennt man diese Lichtteilchen Photonen. Einstein nannte sie damals Lichtquanten und stellte sich Licht als einen kontinuierlichen Strom dieser Teilchen vor, die mit einer bestimmten Energie in eine Richtung fliegen.
Die Energie hängt von der Frequenz oder Wellenlänge der Teilchen ab – also von der Farbe des Lichts. Wenn nun ein Atom mit einem Lichtteilchen bestrahlt wird, war für Einstein folgendes denkbar: Das Atom absorbiert die Energie des Photons, weil sich das Atom im energiearmen, stabilen Zustand befindet.
Dadurch wird sein Energiezustand höher. Das Atom befindet sich nun in einem „angeregten“ Zustand. Dieser Zustand ist jedoch für das Atom nicht von langer Dauer. Es kehrt in seinen Grundzustand zurück, indem es ein ungerichtetes Lichtteilchen aussendet.
Wird das Atom im angeregten Zustand jedoch von einem anderen Photon getroffen, sendet es ein weiteres Lichtteilchen aus. Dieses ist in Richtung und Wellenlänge identisch mit dem ersten Teilchen. Diese beiden Photonen können nun ihrerseits andere Atome anregen. Dabei werden immer mehr Lichtteilchen mit den gleichen Eigenschaften erzeugt und in die gleiche Richtung abgestrahlt. Sie werden einfach kopiert und der Lichtstrahl wird intensiver. Das Ergebnis ist eine Verstärkung des Lichts.
Einstein nannte diese Theorie „stimulierte Emission“.
Der Physiker Charles Townes war der erste, dem es gelang, Einsteins Ideen zur stimulierten Emission in die Praxis umzusetzen. Er experimentierte jedoch nicht mit Lichtstrahlen, sondern mit Mikrowellen. Im Jahr 1951 baute Townes ein Gerät, das Mikrowellen erzeugen und verstärken konnte.
In Anlehnung an Einsteins Theorie nannte er seine Konstruktion „MASER“, eine Abkürzung für „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Genau dasselbe sollte nun auch für Infrarot und konventionelles Licht möglich werden. Wie das funktionieren sollte, war das Rätsel, das es zu knacken galt.
Eines war jedoch sicher: Wie auch immer das Ergebnis aussehen würde, man würde es „LASER“ nennen – kurz für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“.
Alles, was man für den Bau dieses Lasers brauchte, war längst vorhanden. Das Material, bestehend aus einer Blitzlampe, einem Rubin und einer Hülse aus Metall, war leicht zu beschaffen. Licht gab es mehr als genug und auch das theoretische Wissen darüber war bekannt. Aber erst 1960 gelang es einem amerikanischen Physiker, all diese Komponenten zusammenzufügen und den ersten Lichtstrahl zu fokussieren.
Dabei konzentrierte sich Theodore Maiman auf das Wesentliche, wie er später selbst einmal sagte:
„Ich habe nur Dinge verwendet, die bereits existierten. Ich habe weder Zeit noch Geld für die Entwicklung einer speziellen Lampe oder eines neuen Kristalls verschwendet, sondern Rubin verwendet, der in der Natur vorkommt und schon damals in sehr hoher Reinheit industriell hergestellt werden konnte. Ich habe die Rubinstäbe für meine Experimente einfach bestellt und gekauft, genau wie die Blitzlampe. Der Rest war reine Handarbeit.“
Mit Hilfe von Spiegeln lenkte er den Lichtstrahl immer wieder durch den Rubinkristall. Dadurch wurden immer mehr Atome angeregt, die hellrote Lichtteilchen aussandten. Gleichzeitig regten diese wiederum andere Atome an, weitere hellrote Lichtteilchen auszusenden.
Das Ergebnis war ein sehr intensiver Lichtstrahl, wie er in der Natur nicht vorkommt.
Entgegen allen Erwartungen und unter deutlich schlechteren finanziellen Bedingungen als seine Konkurrenten war es Maiman gelungen, den ersten funktionierenden Laser zu bauen – den Lichtverstärker, an dem schon so viele Spitzenwissenschaftler getüftelt hatten.
Albert Einstein legte den Grundstein für die Lasertechnologie, als er das Phänomen der „Stimulierten Emission“ vorhersagte, das für die Funktionsweise aller Laser grundlegend ist.
Valentin Fabrikant theoretisiert die Verwendung von stimulierter Emission zur Verstärkung von Strahlung.
Charles Townes, Nikolay Basov und Alexander Prokhorov entwickeln die Quantentheorie der stimulierten Emission und demonstrieren die stimulierte Emission von Mikrowellen. Für diese bahnbrechende Arbeit erhalten sie später den Nobelpreis für Physik.
Gordon Gould, Doktorand an der Columbia University, schlägt vor, dass stimulierte Emission zur Verstärkung von Licht verwendet werden kann. Er beschreibt einen optischen Resonator, der einen schmalen Strahl kohärenten Lichts erzeugen kann, und nennt ihn LASER für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“.
Theodore Maiman baut in den Hughes Research Laboratories in Malibu, Kalifornien, den ersten funktionierenden Prototyp eines Lasers. Dieser Laser verwendet synthetischen Rubin als aktives Medium und sendet einen tiefroten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 694,3 nm aus. Der Rubinlaser wurde zunächst für militärische Entfernungsmesser eingesetzt und wird wegen seiner hohen Spitzenleistung auch heute noch kommerziell zum Bohren von Löchern in Diamanten verwendet.
Was macht den Laser so besonders?
Im Grunde ist es das Licht selbst, das durch die besondere Emissionseigenschaft des Lasermediums verstärkt wird. Ein typischer Laser besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Lasermedium, einer Energiequelle und einem Resonator. Das Lasermedium ist der Schlüssel und bestimmt die charakteristische Wellenlänge des erzeugten Laserstrahls.
Schauen wir uns die verschiedenen Laser und ihre spezifischen Wellenlängen an:
- Der UV-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm:
Ultraviolette Laser werden oft in Anwendungen wie der Mikromaterialbearbeitung und der Mikroelektronik eingesetzt. Ultraviolette Laser mit ihrer kurzen Wellenlänge haben die besondere Fähigkeit, äußerst präzise auf winzigen Flächen und fokussierten Punkten zu arbeiten. Diese Eigenschaft eröffnet ein weites Spektrum an Anwendungen, die auf höchste Genauigkeit und Feinheit angewiesen sind. - Der grüne Laser mit 532 nm:
Der grüne Laser erweist sich als Wahl für die präzise Bearbeitung von Edelmetallen wie Gold, Silber und Kupfer. Darüber hinaus bewährt er sich als ideale Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter die Beschriftung von Leiterplatten, elektrischen Bauteilen, Computerchips, Folien, Magnetkarten und sogar empfindlicher Elektronik. Ihre Wellenlänge liegt im menschlich sichtbaren Bereich des Lichts. - Der Yb: Faserlaser mit 1064 nm:
Yb: Faserlaser arbeiten mit infraroter, unsichtbarer Strahlung (1064 nm), sind besonders vielseitig und finden in vielen industriellen Anwendungen Verwendung. Sie zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise und hohe Effizienz aus. - Der CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10.600 nm:
Der CO2-Laser ist ein Gaslaser, der auf einem Kohlendioxid-Gasgemisch basiert. CO₂-Laser sind hervorragend für die Lasergravur und das Laserschneiden von Nichtmetallen geeignet. Ihre lange Wellenlänge macht sie ideal für die Wechselwirkung mit organischen Materialien.
Ultrakurzpulslaser:
Das Licht ist immer noch dabei, uns zu überraschen und zu faszinieren!
Der Laser hat noch mehr zu bieten!
Betreten Sie die Welt der Ultrakurzpulslaser, deren Pulse nur Femtosekunden oder Pikosekunden dauern. Diese revolutionären Laser erlauben nicht nur präzise Bearbeitungen, sondern bieten auch die Möglichkeit, die Wellenlänge je nach Anwendung auszuwählen (1064 nm, 532 nm oder 355 nm).
So können verschiedene Materialien gezielt und optimal bearbeitet werden. Ein ultrakurzer Laserpuls kann so intensiv sein, dass er Materie wie ein Schlag mit einem Hammer bearbeitet – jedoch ohne dabei Wärme in das Material einzubringen. Diese außergewöhnlichen Eigenschaften eröffnen völlig neue Anwendungsbereiche in der Forschung, Medizin und Industrie.
Im Video sehen Sie eine technische Keramik, cremeweißfarben welche für Standardaufgaben im medizinischen Bereich aber auch in vielen weiteren industriellen Zweigen wie zum Beispiel der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie eingesetzt wird.
Als Leser haben Sie jetzt einen Einblick in die Herkunft und die Grundlagen des Lasers erhalten. Von den Anfängen bei Einstein bis hin zu den modernen Ultrakurzpulslasern bietet diese Technologie eine erstaunliche Vielfalt an Anwendungen.
Wir hoffe, Sie haben die Lektüre genossen und freuen sich ebenso wie wir auf die kommenden Entwicklungen in der Welt der industriellen Laseranlagen. Lasersysteme werden zweifellos weiterhin die Grenzen des Möglichen erweitern und uns in bisher unvorstellbare Bereiche vorstoßen lassen. Also lassen Sie uns gemeinsam gespannt sein und beobachten, wohin uns die Faszination für das Licht und seine Anwendungen noch führen wird.
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