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Inhalt:
 Allgemeines
 Aufbau eines Gas-LASERs
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Allgemeines

LASER ist ein Kunstwort, das bestimmt jeder schon einmal gehört hat, und bedeutet ausgeschrieben Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ("Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung"), was leider sehr wenig zur Erklärung des Effekts beiträgt. Aber hierzu später. Sicherlich bringen Sie Laserlicht entweder mit modernen Waffen in James-Bond-Filmen oder aber mit bunten Lichteffekten in der Disco in Verbindung. Und in der Tat hat beides mit der Realität zu tun. Von der Gasentladungslampe bis zum Gas-LASER ist es vom Verständnis her nur ein kleiner Schritt. Nachfolgend erfahren Sie daher in einfachen Worten, wie Gas-LASER aufgebaut sind und wie sie funktionieren. Es folgt die Funktionsweise von Feststoff-LASERn.


Aufbau eines Gas-LASERs

Ein Gas-LASER ist bis auf zwei Unterschiede genauso aufgebaut wie eine  Gasentladungslampe. Die Unterschiede sind, daß einerseits die Elektroden als Metallnetz oder als Lochelektrode ausgeführt sind, damit das Licht sie durchdringen kann, und andererseits zwei Spiegel an den Stirnseiten vorhanden sind; siehe Bild 1:
Aufbau Gas-LASER
Bild 1: Aufbau eines Gas-LASERs



Wirkungsweise eines Gas-LASERs

Ein Gas-LASER funktioniert zuerst einmal genauso wie eine Gasentladungslampe, d.h. bei Stromdurchgang durch das Gas sendet dieses Licht mit einer vom Gas abhängigen Längenwelle aus. Laserlicht wird dadurch daraus, daß an den Stirnseiten ein Spiegel und ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet sind. Der Trick besteht darin, daß der Abstand genau ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge sein muß. Bei einer Wellenlänge von z.B. um die 680 nm ist dies bei einer Röhrenlänge von z.B. 30 cm die eigentliche Herausforderung bei der Realisierung eines LASERs.

Stehende Wellen bei einem LASER
Bild 2: Stehende Wellen bei einem LASER

Die Spiegel sorgen dafür, daß sich stehende Licht-Wellen nur mit einer Wellenlänge bilden können, die ganzzahlig in den Abstand der Spiegel zueinander hineinpassen: Bedingung für stehende Wellen ist, daß die Wellen dort, wo sie auf einen Spiegel treffen, exakt die Nullinie schneiden. Die reflektierte Welle trifft auf der anderen Seite im Nulldurchgang auf den anderen Spiegel und wird dort ebenfalls reflektiert. Da die Spiegel absolut planparallel ausgerichtet sind, werden die Lichtwellen von einem Spiegel zum anderen hin und her reflektiert. Jedes Mal kommen dabei neu erzeugte Lichtwellen hinzu, die nur dann im Verbund bleiben, wenn sie die Reflexionsbedingung erfüllen. Wegen der durch die Gasentladung neu hinzukommenden Lichtwellen wird die Intensität und damit die Energie immer höher. Der Spiegel auf der linken Seite in Bild 2 ist teildurchlässig, so daß ein Teil dieser stehenden Wellen nach außen dringen kann (gestrichelt dargestellt).

Dieser nach außen dringende Lichtstrahl hat durch die Reflexion an den Spiegeln besondere Eigenschaften: Erstens ist das Licht monochromatisch, d.h. besitzt nur eine einzige Lichtfarbe mit einer ganz bestimmten Wellenlänge, weil nur ganz bestimmte Wellenlängen die Reflexionsbedingung erfüllen und dies in der Regel nur auf eine durch die Gasentladung erzeugte Wellenlänge zutrifft. Zweitens ist das Licht kohärent, d.h. alle Lichtwellen befinden sich sozusagen im Gleichschritt, weil es sich ja um ausgekoppelte stehende Wellen handelt. Dies ist vergleichbar mit Soldaten, die im Gleichschritt über eine Brücke gehen und diese durch die gleichförmige Anregung zum Schwingen und damit zum Einsturz bringen können. Beim kohärenten Licht ist es so, daß dieses Atome zum Schwingen anregen kann. Das Anregen von Atomen zum Schwingen bedeutet aber physikalisch nichts anderes als Wärmeerzeugung. Drittens ist das emittierte Licht eng gebündelt und fächert auch auf sehr großen Strecken nur unwesentlich auf. Denn stehende Wellen bilden sich nur dann aus, wenn die Lichtwellen exakt rechtwinklig auf die Spiegel treffen. Alle Wellen, die diese Bedingung geringfügig (und erst recht grob) verletzen, werden seitlich abgestrahlt und gehen daher verloren. Das Gleiche passiert mit Lichtwellen, die von den Atomen der Gasentladungslampe in die falsche Richtung abgestrahlt werden; siehe hierzu Bild 3:
Falscher Einfallswinkel
Bild 3: Falscher Einfallswinkel

Wie man sieht, trifft eine nicht absolut senkrecht zur Spiegeloberfläche auftreffende Welle (im Beispiel beträgt der Winkel lediglich 2 Winkelgrad) nur noch so gerade eben auf den Rand des einen Spiegels und wird dann aus dem System herausreflektiert. Dies trifft auch auf das Licht zu, das von dem blau dargestellten Gasatom abgegeben wird. Daher leuchtet ein Gas-LASER genauso wie eine Gasentladungslampe. Das in alle Richtungen abgegebene normale Licht schirmt man hierbei ab und nutzt nur das aus dem halbdurchlässigen Spiegel austretende LASER-Licht.

Bei ausreichender Leistung kann man mit dem LASER-Licht wegen seiner Kohärenz problemlos eine Stahlplatte durchbrennen. In der Disco erzeugt man hingegen LASER-Licht mit sehr geringer Leistung und nutzt lediglich aus, daß dieses farbig ist und auch auf große Entfernungen nicht auffächert. Die Kohärenz ist aufgrund der Augengefährdung bei diesem Anwendungsfall übrigens unerwünscht, läßt sich aber nicht vermeiden.

Als Gas-LASER sind Ihnen wahrscheinlich aufgrund ihres Einsatzes zur Erzielung von Lichteffekten Helium-Neon- (rotes Licht) und Argon-Laser (grünes Licht) bekannt. In der Industrie werden zum Zerschneiden oder Schweißen von Metallen jedoch fast ausschließlich Infrarot-LASER verwendet, wobei vor allem CO2-LASER weit verbreitet sind. Je nach benötigter Ausgangsleistung sind die LASER-Röhren sehr lang und können im Einzelfall sagenhafte 50 m erreichen, wobei die Röhre dann aber gefaltet und das Licht über ein Spiegelsystem umgelenkt wird. Im Prinzip kann jedes Gas verwendet werden, das bei Stromdurchgang Licht mit einer bestimmten Wellenlänge emittiert. Üblich sind aber nur die drei vorgenannte Gase. Gas-LASER sind von Natur aus Dauerstrich-LASER, geben also bei konstantem Stromfluß ohne Unterbrechung einen LASER-Strahl mit konstanter Intensität ab. Durch Änderung der Stromstärke durch das Gas kann die Intensität bei Bedarf geändert werden; man spricht im Fachjargon dann von Modulation.


Feststoff-LASER

Auch wenn es vom Verständnis einfacher ist, gedanklich eine Gasentladungslampe zu einem Gas-LASER zu erweitern, war der erste LASER ein Feststoff-LASER. Dieser bestand lediglich aus einem runden Rubinstab, der an beiden Enden planparallel geschliffen und verspiegelt war, wobei ein Spiegel als halbdurchlässiger Spiegel ausgeführt war, siehe Bild 4:
Rubin-LASER
Bild 4: Rubin-LASER

Rubin ist ein sehr guter Isolator und leitet den Strom so gut wie gar nicht. Auch durch Tricks läßt sich das nicht ändern. Man kann also nicht einfach Strom durch den Rubin schicken und ihn so zum Leuchten bringen. Also muß man den Atomen auf eine andere Weise Energie zuführen. Dies gelingt in Form von ganz normalem Licht mit hoher Intensität, welches man mit Blitzlampen erzeugt. Meistens verwendet man gewendelte Blitzlampen, die den Rubinstab vollständig umgeben. Sicherlich werden Sie sich jetzt wundern, wie Licht in der Lage sein kann, Elektronen aus ihrer Bahn zu schlagen. Dies ist aber aufgrund des Dualismus von Welle und Teilchen in der Tat möglich. Licht besitzt nämlich sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter. Manche Effekte wie z.B. derjenige der stehenden Wellen sind nur durch den Wellencharakter erklärbar, andere wie das Herausschlagen von Elektronen nur durch den Teilchencharakter. Die Hintergründe sind leider zu komplex, um hier mit einfachen Worten erklärt zu werden. Wichtig zu wissen ist, daß ein Photon gleichzeitig Teilchen und Welle ist, und daß die Energie und damit die Masse der Lichtquanten, der Photonen, umso höher ist, je höher ihre Frequenz d.h. je geringer ihre Wellenlänge ist. Ein Teil des Blitzlichts ist ausreichend kurzwellig und besitzt damit genügend Energie, um bei einem Volltreffer Elektronen in die nächstäußere Schale abzulenken.

Wie bei Gas-LASERn gibt das abgelenkte Elektron bei der Rückkehr in die alte Schale seine beim Zusammenprall aufgenommene Energie in Form eines Lichtquants ab. Auch der Rest (Spiegelanordnung, stehende Wellen etc.) funktioniert genauso wie bei einem Gas-LASER. Rubin-LASER geben dunkelrotes Licht ab. Der einzige Unterschied zwischen Gas- und Feststoff-LASERn ist die Art und Weise, wie "gepumpt" (so der Fachjargon) wird d.h. die Atome in einen angeregten Zustand überführt werden. Blitzlicht kann nur für einen ganz kurzen Moment erzeugt werden, weshalb der Rubin-LASER ebenfalls nur einen kurzen LASER-Puls aussendet. Da Blitzlicht sehr viel Energie besitzt, ist auch der ausgesandte LASER-Puls zwar kurz aber sehr energiereich und kann selbst bei kleinen Rubin-LASERn oft eine Rasierklinge durchschlagen. Scherzhafterweise wurde die LASER-Leistung in der Einheit Gilette angegeben, wobei 1 Gilette dem Durchbrennen einer Rasierklinge entsprach (Gilette ist eine Rasierklingenmarke), da dies das wohl beliebteste Ziel war.

Daß nur ein kurzer LASER-Puls ausgesandt wird, muß kein Nachteil sein. Denn durch die sehr kurze Einwirkungszeit verdampft das Material an der Einwirkungsstelle schlagartig, ohne daß sich infolge der Wärmeleitung das umgebende Material nennenswert erwärmt. Scharfe Randkonturen sind daher die Folge. Zum kontinuierlichen Schweißen benötigt man hingegen einen Dauerstrich-LASER.

Ein Rubin ist, auch wenn man ihn künstlich herstellt, recht teuer und emittiert für industrielle Zwecke zu kurzwelliges Licht. Stattdessen kann man auch spezielle Gläser als Trägerstoff verwenden, die mit LASER-fähigen Stoffen (also solchen, die man zum Leuchten anregen kann) wie z.B. Yttrium (für YAG-LASER) vermischt werden. Rubin ist ganz ähnlich aufgebaut und besteht aus reinem Korund (= Aluminiumoxid, Al2O3), der mit Chromoxyd als lichtaussendendem Stoff "verunreinigt" ist. Mittlerweile sind eine Vielzahl von Feststoff-LASERn bekannt, die so hergestellt werden. Es gibt kaum einen Stoff, den man nicht zur Aussendung von LASER-Licht bringen kann.
  

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