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Funktionsprinzipien von Lasern
Was ist ein "Laser"?
Ein Laser ist eine äußerst energiereiche Lichtquelle, die durch die natürliche Schwingung von Atomen (eines Gases oder eines Festkörpers) erzeugt wird und die zum Schneiden, Verbrennen oder Auflösen von Material verwendet werden kann.
Was bedeutet "Laser"?
Laser ist die Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung).
Eigenschaften von Lasern
Unterschiede zwischen einem Laser und gewöhnlichem Licht
Im Gegensatz zu einer gewöhnlichen Lichtquelle, wie etwa einer Lampe, weist ein Laser folgende Eigenschaften auf:
- Hochgradig gerichtet:
- Ein Laserlichtstrahl bewegt sich geradlinig, praktisch ohne Abweichung. Licht aus einer gewöhnlichen Lampe streut dagegen in alle Richtungen.
- Hochgradig monochrom:
- Laser emittieren einen Lichtstrahl mit einer einzigen, reinen Farbe (Wellenlänge und Frequenz). Eine gewöhnliche Lampe emittiert ein Licht, in dem viele Farben gemischt sind.
- Hochgradig kohärent:
- Laser bieten ausgezeichnete Kohärenz (einheitliche Phase des Lichts im Verhältnis zur Zeit), woraus sich hohe Amplituden (höhere Ausgangsleistungen) ergeben. Gewöhnliches Licht weist eine uneinheitliche Phase im Verhältnis zur Zeit auf.
| Gerichtetheit (gerader Strahl) | Monochromes Licht | Kohärenz | |
|---|---|---|---|
| Gewöhnliches Licht |
 |
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| Laser- strahl |
 |
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Lasertypen
Klassifikation von Lasern
Ein Laserstrahl kann in der Regel unter einen der folgenden drei Typen eingeordnet werden:
CO2-Laser
Ein CO2-Laser wird vor allem zur Maschinenbearbeitung und zum Markieren eingesetzt.
CO2-Laser emittieren unsichtbare Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von 10,6 μm. N2-Gas wird zur Verstärkung und He-Gas zur Stabilisierung des Energieniveaus von CO2 verwendet.
YAG-Laser (Nd:YAG-Laser)
Ein YAG-Laser wird für allgemeine Markieranwendungen eingesetzt, etwa zum Markieren auf Werkstücken aus Kunststoff oder Metall sowie zur Maschinenbearbeitung.
YAG-Laser emittieren unsichtbare Nahe-Infrarot-Strahlen mit einer Wellenlänge von 1064 nm.
Beschreibung der YAG
YAG ist ein Festkörper mit einer Kristallstruktur aus Y (Yttrium), A (Aluminium) und G (Granat). Der mit einem lichtemittierenden Element – in diesem Falle Nd (Neodynm) – dotierte YAG-Kristall wird durch Absorption des Lichts von einer Laserdiode in den erregten Zustand versetzt.
YVO4-Laser (Nd:YVO4-Laser)
Ein YVO4-Laser wird für extrem feine Markierungsanwendungen und Maschinenbearbeitungen eingesetzt.
YVO4-Laser emittieren unsichtbare Nahe-Infrarot-Strahlen mit einer Wellenlänge von 1064 nm, wie der YAG-Laser.
Beschreibung von YVO4
YVO4 ist ein Festkörper mit einer Kristallstruktur aus Y (Yttrium), V (Vanadium), O4 (Oxid), bzw. Y (Yttrium), VO4 (Vanadat). Der mit einem lichtemittierenden Element – in diesem Falle Nd (Neodynm) – dotierte YAG-Kristall wird durch Absorption des Lichts von einer Laserdiode in den erregten Zustand versetzt.
Vergleich der Wellenlängen
Für den industriellen Gebrauch gibt es zwei Arten von Lasermarkiersystemen:
YAG- oder YVO4-Lasermarkiersysteme und CO2-Lasermarkiersysteme. Der Unterschied liegt in der Wellenlänge der Laserstrahlen.
Wellenlänge von SHG-Lasern (grünen Lasern) → 532 nm
Wellenlänge von YAG- oder YVO4-Lasern → 1064 nm
Wellenlänge von CO2-Lasern → 10,6 μm
YAG- oder YVO4-Laser weisen im Vergleich zu CO2-Lasern eine um den Faktor 10 kürzere Wellenlänge auf. Deshalb weisen sie eine geringe Reflexion auf Metalloberflächen, weniger Energieverluste und eine größere Benutzerfreundlichkeit bei der Metallbearbeitung auf. Umgekehrt weisen CO2-Laser im Vergleich zu YAG- oder YVO4-Lasern eine um den Faktor 10 längere Wellenlänge auf. Deshalb werden sie von Glas problemlos absorbiert und eignen sich für das Markieren von transparenten Objekten. Allerdings hängt das Markierungsergebnis nicht nur von den Unterschieden bei der Wellenlänge, sondern auch von den Unterschieden bei der Laserleistung ab. Dies sollten Sie bei Ihrer Auswahl berücksichtigen.
Grundlagen der Laseroszillation
Der vorliegende Abschnitt erläutert die Grundlagen bis zum Beginn der Laseroszillation.
(1) Absorption
Beim Einspeisen von externem Licht absorbieren die Elektronen innerhalb der Atome das Licht und gehen vom niedrigsten Energiezustand (Grundzustand) in einen höheren Energiezustand. Mit zunehmender Energie wechseln die Elektronen von normalen Schalen in äußere Schalen. Diese Energiezunahme wird als "Erregung" bezeichnet.
(2) Natürliche Emission
Erregte Elektronen klettern entsprechend der jeweils aufgenommenen Energiemenge auf ein höheres Energieniveau. Elektronen, die auf ein höheres Energieniveau aufgestiegen sind, versuchen nach einer gewissen Zeit, wieder einen stabileren Zustand zu erreichen, und emittieren Energie, um zurück auf ein niedrigeres Energieniveau zu gelangen. Dabei wird Licht emittiert, dessen Energie dem Unterschied der Energieniveaus entspricht.
Dieses Phänomen wird als "natürliche Emission" bezeichnet.
(3) Stimulierte Emission
Wie in der nachfolgenden Abbildung veranschaulicht, sind Elektronen in einem energiereichen Zustand vorhanden. Wenn nun Licht eingespeist wird, das die gleiche Energie aufweist wie diese Elektronen, kommt es zur Emission von Licht mit exakt der gleichen Energie, Phase und Bewegungsrichtung.
Mit anderen Worten: Jedes eingespeiste Photon löst ein Phänomen aus, bei dem daraus zwei Photonen werden. Das wird als "stimulierte Emission" bezeichnet. Licht, das durch stimulierte Emission erzeugt wird, weist gleichförmige Energie, Phasen und Bewegungsrichtung auf. Eine Vorrichtung, in der mittels stimulierter Emission eine große Lichtmenge erzeugt wird, liefert daher ein sehr starkes Licht, das hinsichtlich der drei genannten Faktoren gleichförmig ist.
Laserlicht wird erzeugt, indem eingespeistes Licht unter Nutzung des Phänomens der stimulierten Emission verstärkt wird.
Deshalb weist Laserlicht folgende Eigenschaften auf: Es ist (1) monochromatisch (d. h. sämtliche Lichtstrahlen weisen die gleiche Energie auf), (2) kohärent (gleichförmige Phasen) und
(3) hochgradig gerichtet (gleichförmige Bewegungsrichtung).
(4) Zustand der Besetzungsinversion
Um eine Laseroszillation mittels natürlicher Emission anstoßen zu können, muss zunächst das Verhältnis zwischen der Dichte energiereicher und der Dichte energiearmer Elektronen umgekehrt werden, d. h. es muss dafür gesorgt werden, dass überwiegend Elektronen in einem energiereichen Zustand vorhanden sind. Diesen Zustand bezeichnet man als "Besetzungsinversion".
Wissenschaftshistorisch formuliert: Als es den Forschern zum ersten Mal gelang, dafür zu sorgen, dass die Menge des natürlich emittierten Lichts die Menge des absorbierten Lichts übertrifft, war die Voraussetzung zur Erzeugung eines Laserstrahls geschaffen.
(5) Laseroszillation
Wenn es in einem Zustand der Besetzungsinversion bei einem Elektron zu einer natürlichen Emission von Licht kommt, verursacht dieses Licht bei einem anderen Elektron eine natürliche Emission von Licht. So entsteht eine Kettenreaktion, die Lichtmenge nimmt zu, und es wird ein starker Strahl erzeugt. So funktioniert Laseroszillation.
Elemente eines Laserresonators
Die drei wesentlichen Elemente eines Laserresonators
Jeder Laserresonator besteht aus drei folgenden Hauptelementen:
(1) Lasermedium
(2) Erregungsquelle
(3) Verstärker
