Laser

Grundlagen und Anwendungen in Photonik, Technik, Medizin und Kunst

Dieter Bäuerle

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2012
• ISBN drucken: 9783527408030
• eBook-ISBN: 9783527661633
• Auflage: 1
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Optik & Licht

Der erste Laser wurde bereits Anfang 1960 als LaborgerÞt gebaut. Erst in den vergangenen zwanzig Jahren ist es aber gelungen, Laser zuverl Þssiger, stabiler, kompakter und billiger zu erzeugen. Seither schreitet der Siegeszug von Lasern unaufhaltsam voran. Viele "technische Errungenschaften", insbesondere in der Produktionstechnik, basieren auf dem Einsatz von Lasern. Die Lasertechnik ist heute ein eigenstÞndiges Fachgebiet. Mit der Entwicklung langlebiger stabiler und billiger Halbleiterlaser in Kombination mit moderner Optik sowie einer leistungsfÞhigeren Elektronik und der.

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Grundlagen

Isaac Newton (1642–1727) war überzeugt, dass Lichtquellen „Teilchen“ aussenden, Thomas Young (1773–1829) hat „bewiesen“, dass sich Licht wie eine Welle verhält. Von Albert Einstein (1879–1955) stammt die Lichtteilchen-Hypothese. Was ist nun richtig? Handelt es sich bei Licht um Teilchen oder Wellen?

Was ist so aufregend bei der Anregung von Atomen, Molekülen und Festkörpern? Was ist überhaupt ein Laser und wodurch unterscheidet sich dessen Strahl von einem Scheinwerfer? Unterschiedliche Typen gibt es auch bei Lasern – wen wundert’s also, dass deren Eigenschaften unterschiedlich sind. Laserstrahlen können einfach schön sein, sich in einem Medium ausbreiten, dieses zum Leuchten bringen – die Event- und Unterhaltungsbranche hat das längst erkannt. Aber die Wirkung kann auch ganz anders sein. Trifft intensive Laserstrahlung auf ein Medium auf, so kann es dieses zur Rotglut bringen, schmelzen, verdampfen, oder es blitzt und kracht – ähnlich wie bei einem Gewitter. Auszeichnungen und Preise gibt es für dies und das – aber für die Grundlagen und Entwicklungen von Lasern sowie deren Anwendungen, die völlig neue Forschungsgebiete eröffnet haben, wurden bereits 11 Nobelpreise verliehen – bis heute.

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Die Natur des Lichts

Spricht man von Licht – oder von hell und dunkel – so bezieht man sich im Allgemeinen auf den Spektralbereich, den man mit dem menschlichen Auge wahrnehmen, sehen kann. In Wirklichkeit umfasst das sichtbare Licht nur einen sehr engen Bereich von Wellenlängen in dem gesamten Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Das ist in Abb. 1.1 veranschaulicht.

Das sichtbare Licht ist von derselben Natur wie die kurzwellige Röntgen- und γ-Strahlung oder die langwellige Wärme- und Mikrowellenstrahlung. Auch Radiowellen sind elektromagnetische Wellen. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ist nicht an ein Medium, an irgendwelche Materie, gebunden. Das wissen wir. Die elektromagnetische Strahlung die von unserer Sonne zu uns gelangt, breitet sich durch den nahezu luft- und materiefreien Raum zwischen Erde und Sonne aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesem luftleeren Raum, also im Vakuum, ist unabhängig von der Wellenlänge der Strahlung. Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit ist also für Röntgenstrahlung, sichtbares Licht, Wärmestrahlung und Radiowellen immer gleich groß, nämlich ungefähr 300 000 Kilometer pro Sekunde! Aufgrund dieser ungeheuer großen Geschwindigkeit benötigt das Licht von der Sonne auf dem Weg zu unserer Erde lediglich ungefähr acht Minuten. Die Lichtgeschwindigkeit, bezeichnen wir diese symbolisch mit dem Buchstaben c, ist gegeben durch das Produkt aus der Wellenlänge, λ, und der Frequenz, v, der Strahlung. Es ist also c = λ × v. Die Frequenz entspricht der Zahl der Schwingungen der Lichtwelle pro Zeit, also beispielsweise pro Sekunde. Da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer gleich groß, also konstant, ist, bedeutet dies, dass kurzwellige elektromagnetische Strahlung eine hohe Frequenz und langwellige Strahlung eine niedrigere Frequenz besitzt.

Wodurch entsteht aber elektromagnetische Strahlung? Weshalb sendet die Sonne Licht und Wärmestrahlung aus? Weshalb können wir mit einem Radiooder Fernsehapparat unterschiedliche Sender empfangen oder mit einem Mobiltelefon telefonieren? Weshalb bezeichnen wir einen beheizten Kachelofen als warm und einen nicht beheizten Ofen als kalt? Auch hier gilt natürlich der bekannte Spruch: Von nichts kommt nichts. Das heißt in unserem Zusammenhang: Die Erzeugung von Licht, oder allgemeiner die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, erfordert eine Energiequelle. Bei der Sonnenstrahlung ist diese Energiequelle die Kernenergie, die bei der Verschmelzung (Fusion) von Wasserstoffatomkernen zu Heliumatomkernen entsteht. Bei einem Mobilfunk- oder Radiosender wird elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung umgewandelt. Bei einem Kachelofen entsteht die Wärmestrahlung durch die Verbrennung von Holz, also durch die Umwandlung von chemischer Energie. Elektromagnetische Strahlung entsteht also durch Umwandlung einer anderen Form von Energie. Es gibt allerdings einen wesentlichen Unterschied zwischen der elektromagnetischen Strahlung, die von der Sonne, einer Glühbirne oder dem Kachelofen ausgeht, und der elektromagnetischen Strahlung, die von einem Radio-, Fernsehoder Mobilfunksender ausgeht. Die Sonne, die Glühlampe oder der Kachelofen senden ein sehr breites Spektrum unterschiedlicher Frequenzen aus. Das heißt, es wird gleichzeitig Strahlung in einem breiten Wellenlängenbereich ausgesandt. Man bezeichnet solche Lichtquellen als thermische Strahler. Radio-, Fernsehoder Mobilfunksender emittieren Strahlung in jeweils relativ engen Frequenzbereichen. Jedes Frequenzband ist charakteristisch für einen bestimmten Sender.

Abb.1.1 Übersicht über das elektromagnetische Spektrum. Zwischen den unterschiedlichen Bereichen gibt es keine genauen Grenzen. Als Gamma-(γ)-Strahlung bezeichnet man elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen λ < 0.1 Å. Röntgenstrahlung liegt im Bereich 0.1 Å < λ <100 Å. Als ultraviolette (UV)-Strahlung bezeichnet man den Bereich 100 Å ≤ λ ≤ 380nm(1 Nanometer = 10 Å = ein milliardstel Meter). Sichtbares Licht umfasst Wellenlängen im Bereich 380 nm (violett) ≤ λ ≤ 780 nm (rot) – die genauen Grenzen sind für menschliche Augen unterschiedlich; das Maximum der Augenempfindlichkeit liegt bei λ ≈ 552 nm (grünesLicht). Für infrarote (Wärme)-Strahlung ist 780 nm ≤ λ ≤ 1 mm. Mikrowellenstrahlung liegt im Bereich 1 mm ≤ λ ≤ 1 m und Radiowellen im Bereich 1 m ≤ λ ≤ 1000 m. Einzelne Spektralbereiche werden oft noch unterteilt, im Zusammenhang mit der biologischen Wirkung ultravioletter Strahlung in UV-C (Vakuum / fernes UV; 100 nm ≤ λ ≤ 280 nm), UV-B (mittleres UV; 280 nm ≤ λ ≤ 315 nm), UV-A (nahes UV; 315 nm ≤ λ ≤ 380 nm). Die wichtigsten Rundfunkfrequenzen sind UKW (FM Frequenz Modulation; 1 m ≤ λ ≤ 10 m) und Mittelwelle (AM Amplituden Modulation; 100 m ≤ λ ≤ 1000 m).

Was sind elektromagnetische Wellen?

Schon der Name lässt vermuten, dass solche Wellen elektrische und magnetische Anteile enthalten. Das ist tatsächlich so. Bereits in den Jahren 1861–1864 hat der englische Physiker James Maxwell (1831–1879) eine vollständige Theorie der elektromagnetischen Strahlung formuliert. Diese Theorie wurde aber nicht a priori, sondern auf der Basis zahlreicher experimenteller Untersuchungen und experimentell gefundener Gesetze entwickelt. Zu diesen damals bereits bekannten Gesetzen zählen das Faraday’sche¹⁾ Induktionsgesetz (1831) sowie das Ampere’sche²⁾ Gesetz (1822). Die wesentliche Aussage der Maxwell’schen Theorie lautet: Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld. Auch die Umkehrung gilt: Ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld erzeugt ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld. Bei der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung handelt es sich also darum, dass fortwährend die Energie des elektrischen Feldes der Lichtwelle in Energie des magnetischen Feldes der Lichtwelle umgewandelt wird. Die Energie des magnetischen Feldes der Lichtwelle wird dann wieder in elektrische Energie umgewandelt usw. Die Abb. 1.2 zeigt eine schematische Darstellung einer fortschreitenden elektromagnetischen Welle (Fernfeld).

Abb. 1.2 Schematische Darstellung einer (ebenen) elektromagnetischen Welle. Diese Welle wird charakterisiert durch die Wellenlänge λ (Abstand zwischen zwei „Wellenbergen“), durch die Amplitude (Länge der Pfeile für das elektrische Feld E bzw. das magnetische Feld H) sowie durch die Polarisation (räumliche Orientierung des E-Feldes, hier also die x-Richtung). Die Welle breitet sich in z-Richtung mit der Lichtgeschwindigkeit c aus. Deshalb zeigt die Abbildung eine „Momentaufnahme“ der Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Intensität I einer „Lichtwelle“ ist umso größer, je größer die Feldstärken, also die Länge der Pfeile für E und H, sind. Diese Abhängigkeit ist quadratisch, I ist also proportional zu E² . Abgekürzt schreibt man I ∝ E²

Zur Veranschaulichung und zum besseren Verständnis erinnern wir uns an die Schulphysik. Dort hatten wir gelernt, dass zwischen zwei aufgeladenen Metallplatten – an denen beispielsweise eine Batterie angeschlossen ist – ein elektrisches Feld E existiert. In Abb. 1.3a ist die untere Kondensatorplatte negativ aufgeladen, besitzt also einen Überschuss an Elektronen. Die obere Platte ist positiv aufgeladen, besitzt also zu wenige Elektronen. Solange sich die Ladung auf diesen Platten nicht ändert, bleibt das elektrische Feld unverändert, also konstant. Klemmt man nun die Batterie ab, so bleibt im Idealfall die Ladung immer noch konstant. Verbindet man aber die Metallplatten mit einem Draht, so fließen Ladungen von der einen Platte zur anderen Platte. Das ist in Abb. 1.3b dargestellt. In Metallen fließen die negativ geladenen Elektronen zur positiv aufgeladenen Platte, der Elektronen fehlen. Es fließt also ein Strom (gemäß der allgemein üblichen Definition ist die Richtung des Stroms I gerade entgegengesetzt zur Richtung des Elektronenflusses). Durch diesen Ladungsausgleich verändert sich das elektrische Feld im Kondensator; es nimmt ab. Nach Maxwell sollte diese zeitliche Veränderung des elektrischen Feldes ein magnetisches Feld erzeugen. Das beobachtet man in der Tat. Ganz ähnlich ist der Sachverhalt für magnetische Felder. Vielleicht erinnern wir uns, dass eine stromdurchflossene Spule ein Magnetfeld besitzt. Nach außen verhält sich eine solche Spule wie ein Magnetstab. Solange die Stromstärke unverändert bleibt, ist das Magnetfeld konstant – so wie bei einem Stabmagnet. Wird der Strom abgeschaltet, so beobachtet man eine zeitliche Abnahme des Magnetfeldes. Nach Maxwell sollte dadurch ein elektrisches Feld entstehen. Das wird auch beobachtet. Mit einem Kondensator bzw. einer Spule kann also die Aussage der Maxwell’schen Theorie direkt überprüft werden. Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld und umgekehrt. Nun gibt es einen weiteren interessanten Aspekt. Das elektrische Feld in einem Kondensator existiert zwischen den Kondensatorplatten; es existiert auch dann, wenn man die Platten immer weiter voneinander entfernt. Es existiert selbst dann, wenn man die Luft zwischen den Kondensatorplatten entfernt. Genauso verhält sich das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule. Dieses Magnetfeld existiert im Inneren der Spule, aber auch außerhalb. Entfernen wir uns von der Spule, so nimmt zwar die Stärke des Magnetfeldes ab, aber es existiert auch noch in großer Entfernung – auch dann, wenn wir uns im luftleeren Raum befinden. Elektrische und magnetische Felder können also auch im Vakuum existieren. Das ist ein ganz wesentlicher Punkt.

Abb. 1.3 Erzeugung elektromagnetischer Wellen.
a) geladener Plattenkondensator;
b) geschlossener Schwingkreis;
c)–d) Übergang zu einem Sender / Antenne (Hertz-Oszillator).

Mobilfunk- und Radiosender

Nach diesem Vorspann können wir verstehen, wie ein Mobilfunk- oder Radiosender funktioniert. Betrachten wir nochmals die Abb. 1.3. Beim Übergang von 1.3b zu 1.3d lassen wir die Platten immer kleiner werden und biegen den Draht auf. Im Extremfall erhalten wir einen Metallstab (Abb. 1.3d). Das „obere“ und „untere“ Ende des Metallstabes entsprach ursprünglich der oberen und unteren Kondensatorplatte. Ein solcher Metallstab verhält sich ganz ähnlich wie zwei Kondensatorplatten die mit einem Draht verbunden sind. Enthält das „untere“ Ende des Metallstabes mehr Elektronen als das obere Ende, so fließt ein Strom. Die mit dem Stromfluss verbundene Veränderung des elektrischen Feldes zwischen dem oberen und unteren Ende des Metallstabs (ursprünglich der oberen und unteren Kondensatorplatte) erzeugt – wie erwartet – ein magnetisches Feld. Verbindet man nun den Metallstab in geeigneter Weise mit einer Wechselspannungsquelle, so wiederholt sich dieser Vorgang, d. h. die Elektronen fließen wieder von oben nach unten und danach von unten nach oben usw. Die Elektronen bewegen sich also regelmäßig (periodisch) von oben nach unten und umgekehrt. Bei jeder dieser Schwingungen verändert sich das elektrische Feld zwischen oberem und unterem Ende des Metallstabes. Dieses periodisch veränderliche elektrische Feld erzeugt ein oszillierendes magnetisches Feld. Und nun gibt es einen weiteren ganz wesentlichen Aspekt. Das oszillierende elektrische Feld, das sich von einem solchen Metallstab, in dem Ladungen „hin und her schwingen“, in den Raum hinaus ausbreitet, kehrt nicht zurück (Abb. 1.4). Es löst sich vom Metallstab ab.

Abb. 1.4 Elektrisches Feld E eines schwingenden Dipols (Hertz-Oszillators) zu unterschiedlichen Zeiten t. T ist die Schwingungsdauer. Nach der Zeit t = T/2 lösen sich die „nierenförmigen“ Feldlinien vom Dipol ab und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Schwingungsfrequenz v = c/λ = c/2

ist umso größer, je kleiner die Stablänge

ist. Die Lichtgeschwindigkeit ist c ≈ 3 × 10¹⁰ cm/s. Im unteren Bild ist das magnetische Feld H um den Dipol gezeigt. Die Richtung der Feldlinien ändert sich nach jeder halben Periode.

Da nach Maxwell ein zeitlich oszillierendes elektrisches Feld ein zeitlich oszillierendes magnetisches Feld und dieses wieder ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt, breitet sich dieses elektromagnetische Feld aus. Das ist die in Abb. 1.2 dargestellte elektromagnetische Welle (Fernfeld). Ein solcher Metallstab, in dem Ladungen oszillieren, sendet also elektromagnetische Wellen aus. Man bezeichnet ein solches System, in dem Ladungen hin und her schwingen, auch als oszillierenden Dipol (Hertz³⁾-Oszillator). Die Frequenz eines solchen Senders ist gegeben durch die Länge

des Metallstabes. Für die Grundschwindung ist die Wellenlänge gerade λ = 2

. Da die Geschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) der vom Dipol emittierten elektromagnetischen Welle gleich der Lichtgeschwindigkeit c ist, gilt für die Frequenz der Strahlung v = c / λ = c / 2

.Je kürzer also der Metallstab ist, umso höher ist die Frequenz der abgestrahlten elektromagnetischen Welle. Damit wir nun Sprache oder Musik hören können, werden auf diese Grundschwingung des Dipols (Trägerfrequenz) die der Sprache oder Musik entsprechenden elektrischen Signale überlagert (aufmoduliert). Die Energie des abgestrahlten elektromagnetischen Feldes und der sonstigen Verluste wird von der angeschlossenen Spannungsquelle geliefert.

Der Empfänger, die Antenne, funktioniert ganz ähnlich. Die vom Sender kommende elektromagnetische Welle versetzt die Elektronen in der Antenne in Schwingungen und das dabei entstehende elektrische Feld wird verstärkt und im Radio- oder...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Author
• Copyright page
• Title page
• Vorwort
• I: Grundlagen
• II: Unterhaltungs-, Druck- und Informationstechnologie
• III: Laser in der industriellen Fertigung
• IV: Messtechnik, Chemische Analyse, Umwelttechnik
• V: Biotechnologie, Medizin, Kunst
• Anhang
• Glossar
• Index