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Schule > Physik > Optik > Der Laser - Funktionsweise und Verwendung

Der Laser

Gliederung
Grundlagen
Die Geschichte des Lasers
Eigenschaften des Laserlichtes
Das Laserprinzip
Die Funktionsweise des Gaslasers
Laseranwendung
2.1.1 Allgemein
2.2.1 In der Medizin
2.2.2 Laseranwendungen in Chirurgie, Zahnmedizin und Augenheilkunde
2.2.3 Haut- und Krebsbehandlungen
2.2.4 Verwendung in der Diagnostik
2.3.1 In der Industrie
2.3.2 Laser in der industriellen Messtechnik
2.4.1 Holographie
Der Laser
Funktionsweise – Aufbau – Verwendung
1.Grundlagen

1.1 Die Geschichte des Lasers
Die Entwicklung des Lasers fand 1917 ihren Anfang. Albert Einstein hatte Quantentheorie des Lichtes Entwickelt. Diese wurde dann 1928 von R. Ladenburg und H. Kopfermann genauer untersucht. Über die praktische Verwendung dieser Erkenntnisse wurde man sich aber erst Jahrzehnte später klar. Erst 1960 wurde dann der erste Rubinlaser von T. H. Maiman entwickelt. 1967 der erste Gaslaser von A. Javan, W. R. Bennet und D. R. Herriott geschaffen. Bereits ein Jahr später gab es erste Halbleiterlaser und 1997 wurde der Atomlaser erfunden.
1.2 Eigenschaften des Laserlichtes
Anders als natürliches Licht, oder das einer Glühlampe etwa, ist Laserlicht sehr intensiv, einfarbig und scharf gebündelt. Laserlicht ist genau wie natürliches und konventionelles Licht eine elektromagnetische Strahlung, die sich in Wellenform ausbreitet. Das Laserlicht hat aber obendrein noch besondere Eigenschaften: Monochromasie und Kohärenz.

Monochromasie
Herkömmliches weißes Licht zeigt ein Spektrum aus vielen Farben. Es hat daher einen großen Frequenzbereich. Beim Laserlicht besitzen alle Wellen nahezu die gleiche Frequenz oder nur eine Wellenlänge. Sie haben nur ein geringes Farbspektrum. Zumeist sind Laser daher einfarbig.

Kohärenz:
Alle Wellen der Laser breiten sich im Raum mit gleicher Geschwindigkeit aus (sie haben gleiche Amplituden). Es kommt dabei zur Überlagerung (Interferenz) der Wellen, wodurch die Intensität der Laserstrahlung erhöht bzw. erreicht wird.
Hohe Intensität und Fokussierbarkeit
Aufgrund der Kohärenz bewegen sich die Wellen des Lasers auch auf große Entfernungen sehr präzise und parallel zueinander fort. Die Intensität des Strahles bleibt so auch auf große Entfernungen erhalten, da die Strahlen sich nur sehr geringfügig ausbreiten bzw. voneinander wegbewegen. Im Gegensatz dazu breiten sich die Strahlen bei einer normalen Taschenlampe etwa, sehr schnell im Raum aus. Die Strahlen werden also wesentlich stärker gestreut. Durch eine Linse lässt sich der Laserstrahl noch weiter bündeln, wodurch sich die Intensität noch weiter erhöht.

1.3 Das Laserprinzip
LASER steht für: light amplifikation by stimulated emission of radiation. Übersetzt: eine Lichtverstärkung wird durch eine erzwungene Aussendung von Strahlung (stimulierte bzw. induzierte Emission) hervorgerufen.
1.4 Die Funktionsweise eines Gaslasers
Ein Gaslaser besteht aus einem Glasgefäß indem sich ein Gasgemisch befindet (zum Beispiel Helium und Neon. An beiden Enden des Glasgefäßes befindet sich je ein Spiegel. Eine Gasentladungslampe im Inneren des Gefäßes bringt nun das Helium-Neon-Gemisch zum Leuchten. Das Licht wird nun zwischen den beiden Spiegeln hin- und herreflektiert. Einer der beiden Spiegel ist nicht vollständig verspiegelt, so das ein Teil des Lichtes das Glasgefäß als Laserlicht verlassen kann.
2. Laseranwendung

2.1.1 Allgemein
Die Lasertechnik wird sowohl in der Medizin (zum Beispiel bei der Behandlung von beginnender Netzhautablösung), der Industrie (zum Beispiel beim Schneiden und Bohren von Materialien), zur Vermessung (zum Beispiel im Tunnelbau) oder im Alltag (Laserdrucker, Discman, Laser-Pointer) verwendet.

2.2.1 In der Medizin
Schon kurze Zeit nach der Entwicklung des ersten Lasers 1960 wurde der nutzen des Lasers für die Medizin entdeckt. Die ersten mit einem Laser behandelten Erkrankungen waren Feuermale, eine bestimmte Form von Muttermalen, und Netzhautablösungen. Seitdem wird der Laser in vielen Gebieten der Medizin verwendet. Die Lasertechnik findet in der Chirurgie, der Augenheilkunde, aber auch in der Diagnostik ihre Verwendung. Die Vorteile des Lasers sind offensichtlich: Bei einer Laserbehandlung erfolgt meist ohne Blut, was sowohl für den Patienten, als auch für den Arzt von Vorteil ist. Der Laser kann sehr flexibel, schonend und präzise eingesetzt werden. Dadurch kommt es auch viel seltener zu Komplikationen.
2.2.2 Laseranwendungen in Chirurgie, Zahnmedizin und Augenheilkunde
Am häufigsten wird die Laserstrahlung in der Chirurgie verwendet. Dort dient das sogenannte Laserskalpell als wichtiges Schneidewerkzeug. Bei einem Schnitt wird allerdings das zu durchdringende Gewebe nicht berührt. Der Laserstrahl erwärmt das Gewebe auf einer schmalen Schnittlinie und trennt bzw. zerstört es an dieser. Bei solch einem Schnitt entstehen auch keine Blutungen, da durch die Wärme des Laserstrahlen die Adern sofort „zugeschmolzen“ werden. Deshalb wird diese Technik auch zum Stillen von Blutungen verwendet. So kann auch an schwer zugänglichen Stellen, zum Beispiel im Magen eine Blutung gestillt werden. Dabei wird der Laserstahl über Endoskope und Lichtleiter bis zur Blutung transportiert. Über dünne Lichtleitfasern kann Laserstrahlung auch direkt in ein Blutgefäß gebracht werden. Hierdurch lässt sich ein Gefäß von Ablagerungen (zum Beispiel von Fetten, Eiweißen, Mineralien oder Kalk) befreien. So wird etwa Arteriosklerose behandelt. Dabei sind Adern im Körper so verstopft das sie den Blutfluss behindern. Unter bestimmten Umständen kann es dann zum Herzinfarkt kommen.
In der Zahnheilkunde wird momentan versucht die Lasertechnik als Ersatz für den Bohrer zu verwenden. Dabei kommen sogenannte Embium-YAG-Laser zum Einsatz. Diese versenden Laserstahlen in Impulsen und arbeiten im infraroten Strahlenbereich. Laserstrahlung wird besonders von Wasser absorbiert, welches sich dadurch schnell erhitzt. Im kariösen Bereich des Zahnes befindet sich allerdings wesentlich mehr Wasser als im gesunden. Folglich wird der kranke, kariöse Zahn vom Laser einfach abgetragen bzw. „abgebrannt“. Benachbarte Zähnsubstanz wird dabei nur geringfügig erwärmt. Trotz der sehr guten Eigenschaften des Lasers gibt es noch Probleme bei der praktischen Verwendung solcher Techniken.
Es ist mit dem Laser aber auch möglich die Zahnform dreidimensional abzutasten, um so in kürzester Zeit einen exakt passenden Zahnersatz zu erschaffen.
Sehr weit vorangeschritten ist die Verwendung der Lasertechnik auch in der Augenheilkunde. Es gibt bereits mehrere Behandlungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel die präzise Behandlung von Netzhautschädigungen. Es können außerdem Kurz- und Weitsichtigkeit vollkommen geheilt werden. Bei Kurzsichtigkeit ist die Hörnhaut des Auges zu stark, bei Weitsichtigkeit zu wenig gewölbt. Zur Korrektur wird durch den Laserstrahl die Hornhaut entweder in der Mitte abgetragen oder aufgesteilt. Der Vorteil der Behandlung via Laser liegt in der enormen Präzision. Relativ neu ist die Kombination von Schnitt- und Abtragtechnik – die Lasik-Technik. Lasik steht für: Laser in situ Keratomileusis – Vor-Ort-Laser-Hornhaut-Schnitttechnik. Dabei wird die Hornhaut geschnitten, aufgeklappt und anschließend wird der freigelegte Bereich mit dem Laser bearbeitet. Abschließend wird die Hornhaut wieder zurückgeklappt, welche durch innere Bindungskräfte selbst haften bleibt. Der Vorteil dabei ist, dass die oberste Hornhautschicht dabei nicht verletzt wird und eine Narbenbildung vermieden wird.
2.2.3 Haut- und Krebsbehandlungen
Auf der Haut wird der Laser vor allem zur Behandlung und Entfernung oberflächlicher Missbildungen des Gefäßsystems verwandt. Mit einem Farbstofflaser werden zum Beispiel Blutschwämme, Feuermale oder Besenreiser (sogenannte Blutgefäßmale) entfernt. Außerdem können mit einem CO2-Laser oder dem Rubinlaser Tätowierungen entfernt werden. Dabei werden die Farbpigmente der Tätowierung erwärmt bis sie verdampfen. Dieses Verfahren ist wesentlich schonender als die Entfernung ganzer Hautstücke, allerdings können auch hier Narben entstehen.
Viele herkömmliche Verfahren der Krebstherapie beruhen auf der chirurgischen Entfernung oder Zerstörung von Tumoren durch radioaktive Strahlung (Chemo-Therapie), Röntgenstrahlen oder auch durch die thermische Wirkung von Laserstrahlung. Möglich ist aber auch die Behandlung von Tumoren mit Laserstahlen mit geringerer Intensität. Dadurch werden die Tumorzellen in einen Zustand versetzt indem sie für den Menschen giftig sind. Der Tumor darf aber nicht zu groß sein, da der Abbau der abgestorbenen Zellen den Körper stark belastet. Die Technik kann man allerdings nur verwenden, wenn der Tumor direkt oder mit einem Endoskop zu erreichen ist. Etwa bei Haut- oder Harnkrebs.
2.2.4 Verwendung in der Diagnostik
Die Diagnostik ist die Erkennung und Untersuchung von Krankheiten. Heute erleichtert der Laser in diesem Bereich die Arbeit enorm. Ähnlich wie bei Röntgenaufnahmen kann vom lebenden Körper ein Schnittbild mit Hilfe des Computertomographen erzeugt werden. Die Vorteile der Lasertechnik sind dabei entscheidend: Sie ist wesentlich ungefährlicher und weniger aufwendiger als etwa die Röntgen- oder Kernspintechnik. Ein entscheidender Nachteil ist aber, das die mit Laserverfahren erzeugten Bilder eine wesentlich geringere Auflösung haben. Darin liegt auch der eigentliche Grund, weshalb sich die Lasertechnik bisher nicht ganz gegen die anderen behaupten konnte. Sie ist aber eine brauchbare Ergänzung.

2.3.1 In der Industrie
Mit großer Effektivität arbeiten Laser heute in der Industrie. Es lassen sich Werkstücke, wie zum Beispiel Metall, äußerst präzise mit einem Laser bearbeiten. Die Anlagen erreichen dabei kaum noch die Größe einer Tiefkühltruhe, bei einem Energieverbrauch von 100 bis 1000 Watt. Es gab aber auch größere Lasersysteme, die auch ganze Fabrikhallen in Anspruch nehmen können. Sie erreichen dann einen Stromverbrauch von unglaublichen 1020 Watt pro Quadratzentimeter. Die Energie würde ausreichen um Materie auf mehre Millionen Grad Celsius zu erhitzen – derartig hohe Temperaturen herrschen ansonsten nur im Kern der Sonne. Weitere Industriezweige, wo die Lasertechnik Verwendung findet sind zum Beispiel: Die Automobilindustrie, in der Feinmechanik, der Halbleiterindustrie oder bei den Herstellern von optischen Instrumenten. Dabei wird der Laserstrahl im wesentlichen zum Bohren, Schneiden, Schweißen, sowie zum Härten und Beschriften von Oberflächen verwendet. Der Laserstrahl erhitzt das Werkstück(in Impulsen um eine Überhitzung zu vermeiden) und es verdampft Stück für Stück – jedoch keinesfalls langsam. Das zu bearbeitende Material reicht von Gummi bis zu Diamantgestein.
2.3.2 Laser in der industriellen Messtechnik
Bereits bei der Fertigung Industrieller Erzeugnisse wird der Laser zur Überprüfung der Qualität des Produktes verwendet. Dies geschieht dank seiner hervorragenden Eigenschaften blitzschnell, extrem genau und ohne das zu messende Objekt auch nur zu berühren. Gerade für die Vermessung von klebrigen, heißen oder sterilen Gegenständen sind solche Verfahren daher die Methode der Wahl. Auch lassen sich durch bestimmte Verfahren die Entfernung und Oberflächenbeschaffenheit eines Objektes feststellen.

2.4.1 Holographie
Die Theorie der Holographie wurde bereits 1948 vom britisch-ungarischen Physiker Dennis Gabor aufgestellt, doch erst in den 60er Jahren konnte diese mit der Einführung des Lasers praktisch realisiert werden.
Hologramme sind ähnlich wie Fotos – sie speichern die Lichtintensität des photographierten Objektes. Beim Hologramm geschieht dies allerdings dreidimensional. Bei einem Photo wird das reflektierte Licht auf einer Fotoplatte gespeichert. Beim Hologramm allerdings, wird zusätzlich eine weitere Lichtwelle eingestrahlt – die Referenzwelle. Diese überlagert sich auf der Fotoplatte mit der vom Objekt zurückgestreuten Welle und bildet dort ein Interferenzmuster, in dem die gesamte räumliche Bildinformation (die Phaseninformation) gespeichert ist. Aber wie kann man daraus ein dreidimensionales Bild erzeugen? Strahlt man nun eine Rekonstruktionswelle genau mit der gleichen Wellenlänge und Richtung wie der zuvor empfangene Referenzstrahl auf die Fotoplatte (sog. Hologramm) ein, so wird das Licht wieder genau so gebrochen wie es zuvor empfangen wurde. Die Rekonstruktionswelle wird dabei von einem Laser erzeugt. Es wurden bisher mehrere Hologrammtechniken entwickelt. Seit neustem ist es möglich durch die Hologrammtechnik in Kristallen Daten zu speichern. So lassen sich beispielsweise in einem nur 1 cm³ großen Kristall bis zu 100000 verschiedene Hologramme in vielen Schichten speichern. Diese werden dann durch fokussieren des Laser wieder ausgelesen.

Quellen:
Brockhaus Multimedia Premium DVD 2002
www.wissen.de
Physik Lehrbuch Klassen 9 & 10 – Volk & Wissen Verlag

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