Einsatz und Geschichte der Laserstrahlen IV

In diesem vierten und danach im letzten Teil unserer kleinen Serie beschreiben wir kurz einige verschiedene Lasermedien und ihre Eigenschaften. Wenn Sie mehr über die Geschichte und die Funktionsweise von Lasern erfahren wollen, lesen Sie einfach Teil I bis III dieser Reihe.

Nachdem Mr. Maimann in Malibu 1960 den ersten funktionstüchtigen Laser vorgestellt hatte, machten sich viele Wissenschaftler und Praktiker daran, die Einsatzmöglichkeiten der Laser zu erforschen. Die Entwicklung von Projektoren über CDs bis hin zu Waffensystemen ist bekannt. Aber nachdem das Prinzip des Lasers verstanden und erprobt war, fand man in den nächsten Jahrzehnten Möglichkeiten, die Atome ganz unterschiedlicher Materialien für den Laser-Effekt zu nutzen. Damit es zu einer stimulierten Emission von deckungsgleichen Photonen kommt, die letztendlich den einfarbigen Laserstrahl erzeugt, müssen Atome ja in ein höheres Erregungsniveau oder oberes Laserniveau gebracht werden. Dieser Vorgang wird etwas plakativ auch als Pumpen bezeichnet. Das Aufpumpen der Atome kann durch verschiedene Energiequellen erfolgen, die sich für verschiedene Materialien eignen.

Festkörper-Laser und Flüssigkeitslaser

Der erste Laser nutzte als Medium ja den roten Rubin. Damit gehörte er zu den Festkörper-Lasern. Diese Laser verfügen über kristalline oder amorphe Feststoffe, die zusätzlich mit optisch anregbaren Atomen ausgestattet oder dotiert sind. Diese fremden Atome können natürlich vorhanden sein oder z.B. per Elektronenbeschuss eingebracht werden. Ihre Zahl ist im Verhältnis zum Trägermaterial sehr gering, dennoch entscheiden sie über die Eigenschaften des Laserstrahls. Dazu gehören z.B. Chrom, Neodym, Titan oder Erbium. Je nach Art der Atome entstehen Laserstrahlen mit großer oder kleiner Effizienz, großer oder kleiner Energie oder mit einem hohen Wirkungsgrad. Eine weitere Art des Lasers beruht auf in Flüssigkeiten wie Ethanol oder Wasser gelösten Farbstoffen. Diese Flüssigkeitslaser bestimmten lange Jahre die Wissenschaft, weil je nach Farbstoff viele Eigenschaften möglich waren. Leistungen bis zu 100 Watt, ein großer Abstimmbereich bis zu 90 nm und die Abdeckung des gesamten Spektralbereichs durch die ca. 500 verwendbaren Farbstoffe machten diese Laser so interessant. Aber der Betrieb war relativ teuer.

Dioden-Laser und Titan-Saphir-Laser

Heute nimmt man ähnlich fähige Lasermedien, die jedoch wie die Dioden-Laser oder der Titan-Saphir-Laser einfacher und günstiger zu nutzen sind. Zudem zeichnet sich der in den 80er und 90er-Jahren entwickelte Titan-Saphir-Laser (Ti:Sa-Laser) durch einige unerhörte Eigenschaften aus. Sie beruhen darauf, dass er gepulste Laserstrahlen von einer Dauer von 30 bis 100 Femtosekunden ausstrahlen kann. Damit sind auf einer Bandbreite von 400 nm Lichtleistungen von 300 Terawatt erzielbar. Zur Verdeutlichung der Dauer einer Femtosekunde muss man wissen, dass der Laserstrahl mit Lichtgeschwindigkeit innerhalb dieser Zeitspanne nur eine Strecke von einem Hundertstel der Dicke des menschlichen Haares zurücklegt. Diese Fähigkeit macht den Ti:Sa-Laser für viele Zwecke unschätzbar. Eine der leichter verständlichen ist sein Einsatz bei der Materialbearbeitung. Hier kann durch die schnellen Pulse Material abgetragen werden, bevor die Wärme das Werkstück erreicht und beschädigen kann. Das gleiche Prinzip nutzt man in der Korrektur von Fehlsichtigkeit zur Bearbeitung der Augenlinse.