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Ratgeber
Seit Anfang der 1960er Jahre die ersten Laser auf den Markt kamen, hat sich ihre Technik enorm weiterentwickelt. Sie hat heute einen hohen Stellenwert, sowohl in der Unterhaltungselektronik als auch im industriellen Bereich, vor allem in der Industrie 4.0.
Lesen Sie in unserem Ratgeber, wie Laserstrahler prinzipiell funktionieren, welche Typen und Anwendungsbereiche es gibt und worauf beim Umgang mit Lasertechnik zu achten ist.
Lasertechnik bezieht sich auf die Technologie und Anwendung von Lasern – einer Lichtquelle, die sehr gerichtete, phasengleiche und monochrome Strahlen erzeugen kann. Der Begriff Laser steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, auf Deutsch: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Diese Technologie hat eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Bereichen geschaffen.
So werden in der Medizin Laserstrahler für chirurgische Eingriffe, Augenoperationen, zur Hautbehandlung und in der Zahnmedizin verwendet. In der Industrie und im Gewerbe finden sich Lasergeräte zum Schneiden, Schweißen, Markieren und Gravieren von Materialien ebenso wie zum Erfassen von Barcodes. Laserdrucker und Laserkopierer sorgen in vielen Büros für gestochen scharfe Ausdrucke, und DVDs sind nach wie als Speichermedium für Daten beliebt. Eine Schlüsselrolle spielen Lasersysteme in der optischen Kommunikation bei der Übertragung von Daten über Glasfaserkabel, in der Wissenschaft für spektroskopische Untersuchungen. Auch in der Teilchenphysik und bei der Entwicklung von Quantencomputern sind Lasersysteme ein wichtiges Hilfsmittel.
Laser wirken als Verstärker für Lichtstrahlen. Das Kernelement einer jeden Laseranwendung ist das aktive Medium. Es besteht aus Atomen, Ionen oder Molekülen, die Licht emittieren können. Dieses Medium kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Halbleiter sein.
1. Medium | 2. Pumpe | 3. Resonator
Um das Lasern zu initiieren, muss das aktive Medium mit Energie versorgt werden. Dieser Vorgang wird als Pumpen bezeichnet. Als Energiequelle kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht, beispielsweise elektrischer Strom, ein anderer Laser oder eine chemische Reaktion. Das Pumpen regt die Atome oder Moleküle des aktiven Mediums an und bringt sie in einen höheren Energiezustand.
Trifft ein angeregtes Atom oder Molekül auf ein Photon mit der passenden Wellenlänge, kann es ein weiteres Photon derselben Energie, Phase und Richtung aussenden. Dieser Prozess wird als stimulierte Emission bezeichnet, in der Laser-Technik der Schlüsselmechanismus hinter der Lichtverstärkung.
Das Besondere an einem Laserstrahler ist die Art und Weise, wie sich der Kollisionsprozess während der gesamten Energiezufuhr vervielfachen lässt. Dazu wird ein optischer Resonator eingesetzt. Er besteht aus zwei Spiegeln, die an beiden Enden des aktiven Mediums platziert sind. Einer der Spiegel ist vollständig reflektierend, der andere teilweise transparent, um einen Teil des Lichts auszukoppeln. Die im Resonator hin und her reflektierten Photonen verursachen weitere Emissionen im aktiven Medium, was die Lichtintensität erhöht.
Durch den Emissions-Prozess im optischen Resonator entsteht ein kohärenter und hochintensiver Lichtstrahl. Kohärenz bedeutet, dass die Lichtwellen im Laserstrahl in Phase zueinander sind. Das führt zu einem sehr dünnen, energiereichen und gerichteten Strahl, der durch den teilweise transparenten Spiegel austritt.
Die Besonderheit des Laserlichts im Vergleich zu herkömmlichem Licht liegt nicht nur in seiner Kohärenz, sondern auch in seiner Einfarbigkeit: Laserstrahlen besitzen nur eine einzige Wellenlänge beziehungsweise Farbe. Die Streuung ist sehr gering, sodass ein Laserstrahl auch auf größere Entfernung nur einen kleinen Lichtpunkt erzeugt. Das beste Beispiel ist ein einfacher Laserpointer.
Es gibt viele Typen von Lasern, die sich in Bezug auf das verwendete aktive Medium, die Wellenlänge des emittierten Lichts, die Leistung und die spezifischen Anwendungen unterscheiden.
Faserlaser
Beim Faserlaser ist ein Faserkern das aktive Medium. Er ist mit seltenen Erden wie Ytterbium, Erbium, Neodym, Thulium oder Praseodym dotiert. Diese Fasern sind in der Lage, Licht über lange Distanzen mit minimalen Verlusten zu leiten, was sie besonders effizient für die Erzeugung von Laserstrahlung macht.
Faserlaser bilden eine besondere Form der Festkörperlaser, sie sind robust gegenüber Umwelteinflüssen und besitzen eine hohe Lebensdauer. Grundlage ist eine Optik-Faser, die an ihren Enden mit speziellen Spiegeln versehen ist und dadurch den Resonator bildet. Das Pumplicht, oft von Diodenlasern erzeugt, wird in die Faser eingekoppelt und erregt die dotierten Atome im Faserkern. Nach der Verstärkung der stimulierten Emission von Photonen entlang der Faser, erzeugt der Resonator eine kohärente Laserstrahlung einer spezifischen Wellenlänge.
Interessanter Aspekt: Faserlaser lassen sich für nahezu alle von anderen Lasern bekannten Einsatzbereiche verwenden. Die Bandbreite reicht vom Schneiden, Schweißen, Markieren und Gravieren von Metallen und anderen Materialien über Anwendungen in der Dermatologie und Chirurgie, in der Übertragung von Daten über große Entfernungen in Glasfasernetzen bis zu Untersuchungen in der Physik, Chemie und Biologie und Spektroskopie. Sie sind damit sozusagen das Allround-Talent der Lasertechnik.
Gaslaser
Gaslaser nutzen Gase oder Dampfe als aktives Medium, um Licht zu erzeugen. Diese Strahler können ein breites Spektrum an Wellenlängen abdecken, von Ultraviolett bis Infrarot. Sie finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, von der industriellen Materialbearbeitung über medizinische Verfahren bis hin zur Forschung.
Zu den am häufigsten verwendeten Typen gehört der Helium-Neon-Laser. Er gilt als einer der ersten und bekanntesten Gaslaser. Kohlendioxid-Laser arbeiten im fernen Infrarotbereich, typischerweise bei 10,6 Mikrometer. Sie sind bekannt für ihre hohe Leistung und Effizienz. Argon-Ionen-Laserstrahler produzieren Licht in verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Spektrum, insbesondere in Blau und Grün.
Stickstofflaser emittieren UV-Licht, typischerweise bei einer Wellenlänge von 337 Nanometer. Sie ermöglichen eine kurze Impulsdauer und werden in der Forschung für Fluoreszenzspektroskopie und als Pumpquellen für Farbstofflaser verwendet. Excimer-Laser verwenden eine Kombination aus einem Edelgas wie Argon, Krypton oder Xenon und einem Halogengas wie Fluor oder Chlor. Ihre Emission liegt im ultravioletten Bereich des Spektrums. Sie sind wichtig für die Mikrolithografie in der Halbleiterfertigung, für die Augenchirurgie und für die Bearbeitung von Materialoberflächen.
Krypton-Ionen-Laser ähneln Argon-Ionen-Strahlern. Sie lassen sich in verschiedenen sichtbaren Wellenlängen betreiben. Ihre Anwendungsbereiche überlappen sich mit denen von Argon-Ionen-Typen, einschließlich Forschung und Unterhaltung. Zur Kategorie der Metalldampflaser gehören Kupferdampf-Strahler für gelbes und grünes Licht und Goldvapor-Strahler, die im sichtbaren Rotbereich emittieren. Experten schätzen an ihnen die hohe Spitzenleistung in Anwendungen wie der Dermatologie und bei der Laser-Isotopentrennung.
Diodenlaser
Sie werden oft auch als Halbleiterlaser bezeichnet und verwenden einen p-n-Übergang eines Halbleitermaterials als aktives Medium. Diodenlaser sind sehr kompakt und effizient und finden millionenfache Anwendung in der Büro- und Unterhaltungselektronik. Typische Beispiele sind CD- und DVD-Player, Laserdrucker, Laserpointer und optische Datensender in der Glasfaserübertragung. Die am häufigsten eingesetzten Halbleitermaterialien sind Galliumarsenid, Indium-Gallium-Arsenid, Indium-Gallium-Nitrid sowie Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid.
Farbstofflaser
Farbstofflaser verwenden als aktives Medium organische Farbstoffe, gelöst in einem flüssigen Lösungsmittel. Diese Farbstoffe lassen sich durch verschiedene Methoden anregen, typischerweise durch Pumpen mit einem anderen Laser oder einer Blitzlampe. Farbstofflaser sind für ihre Fähigkeit bekannt, durchstimmbare Laserstrahlung zu erzeugen, das heißt, die Wellenlänge des emittierten Lichts kann innerhalb eines bestimmten Bereichs variiert werden. Einige Farbstoffe ermöglichen Emissionen im sichtbaren Spektrum, während andere UV- oder nahinfrarotes Licht erzeugen können. Das macht diese Lasersysteme besonders vielseitig und nützlich für eine Reihe von Anwendungen, von der Wissenschaft und Forschung bis hin zur Medizin.
Festkörperlaser
Er verwendet einen festen Stoff als aktives Medium, oft einen dotierten Kristall. Der neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Laser oder kurz Nd:YAG ist einer der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Festkörperlaser. Er emittiert bei einer Wellenlänge von 1064 Nanometer nahes Infrarot. Wichtige Einsatzgebiete sind die Materialbearbeitung, die Medizin und die Markierungstechnik.
Der erste jemals gebaute Laserstrahler war der Rubinlaser aus chrom-dotiertem Korund. Er strahlt bei einer Wellenlänge von 694 Nanometer sichtbares rotes Licht aus. Rubinlaser werden heute hauptsächlich in der Tattoo-Entfernung und in der Dermatologie verwendet, sind aber ansonsten aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads kaum noch relevant.
Zu den erbium-dotierten Lasern gehören der Er:YAG aus erbium-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat und der Er:Glass aus erbium-dotiertem Glas. Ersterer strahlt bei 2940 Nanometer im mittleren Infrarotbereich und wird aufgrund seiner hohen Absorption in Wasser hauptsächlich in der Hautbehandlung eingesetzt. Auch der Er:Glass eignet sich für ästhetische Korrekturen, zum Beispiel für Hautstraffung und Hautverjüngung.
Thulium- und ytterbium-dotierte Laserstrahler eignen sich sehr gut für die Materialbearbeitung wie das Schneiden und Schweißen von Metallen sowie fürs Markieren. Zu ihnen gehören der Tm:Fiber, der Yb:YAG und der Yb:Fiber. Die Wellenlängen liegen bei etwa 2 Mikrometer.
Laserklassen kategorisieren und beschreiben die potenziellen Gefahren, die von Lasersystemen ausgehen können. Damit bilden sie die Grundlage für entsprechende Sicherheitsmaßnahmen. Die Klassifizierung basiert auf der maximalen Leistung oder Energie des Laserstrahls und dessen potenzieller Fähigkeit, insbesondere die Augen und die Haut zu schädigen. Die IEC definiert diese Klassen im Standard IEC 60825-1, der international weit verbreitet ist.
Klasse 1
Klasse-1-Laserstrahler sind so sicher, dass unter normalen Betriebsbedingungen keine Gefahr von ihnen ausgeht. Die Leistung liegt typischerweise unter dem maximal zulässigen Expositionswert MPE für das Auge oder die Haut. Typische Beispiele für die Verwendung sind Laserdioden in CD/DVD-Geräten oder Laserdruckern.
Klasse 1M
Lasergeräte in dieser Klasse sind bei normaler Anwendung sicher. Sie können jedoch gefährlich sein, wenn optische Instrumente wie Lupen oder Teleskope zur Betrachtung verwendet werden. Sie emittieren Wellenlängen, die nicht vollständig vom menschlichen Auge absorbiert werden, typischerweise im Infrarotbereich. Wichtigste Anwendungen sind Barcodeleser.
Klasse 2
Klasse-2-Laser erzeugen sichtbares Licht, typischerweise in den Wellenlängen 400 bis 700 Nanometer. Die natürlichen Schutzreaktionen des Auges, einschließlich des Lidschlussreflexes, können beim Blick in den Strahl eine Schädigung verhindern. Die Ausgangsleistung liegt typischerweise unter 1 Milliwatt. Laserpointer und Lichtschranken gehören meist in diese Klasse.
Klasse 2M
Diese Laser sollen ähnlich wie die aus Klasse 2 für das bloße Auge sicher sein, solange der Lidschlussreflex nicht unterdrückt wird. Gefährlich wird’s allerdings, wenn das Licht durch optische Instrumente betrachtet wird. Zu finden sind Laser aus dieser Klasse beispielsweise bei Show-Veranstaltungen und im Messebau.
Klasse 3R
Klasse-3R-Laser gelten als mäßig gefährlich. Eine direkte Bestrahlung sollte vermieden werden. Die Ausgangsleistung liegt zwischen 1 und 5 Milliwatt. Sie erfordern weniger strenge Kontrollmaßnahmen als Klasse 3B, aber eine direkte Exposition, insbesondere für die Augen, kann schädlich sein. Ziel- und Nivelliereinrichtungen sind gängige Beispiele.
Klasse 3B
Gefährlich bei direkter Exposition der Augen und in einigen Fällen auch bei diffuser Reflexion. Ihre Leistung liegt zwischen 5 und 500 Milliwatt. Schutzmaßnahmen wie Schutzbrillen sind erforderlich, der Zugang zu diesen Lasern wird typischerweise kontrolliert. In diese Klasse fallen häufig Laser für kosmetische Behandlungen.
Klasse 4
Die höchste der Laserklassen. Der Strahl ist extrem gefährlich bei jeder Art von Exposition, sei es direkter Strahlkontakt oder diffuse Reflexion. Sie können Haut und Augengewebe auch über große Entfernungen beschädigen und einige Materialien sogar entzünden. Ihre Leistung übersteigt 500 Milliwatt! Umfassende Sicherheitsvorkehrungen, einschließlich Schutzkleidung, sind erforderlich. Verwendet werden Laser der Klasse 4 zum Beispiel in Anlagen für das Laserschneiden in höchster Präzision und das Laserschweißen.