LASER Funktionsweise und...

DV-Seminarvortrag für

mathematisch-technische Assistenten

LASER

Funktionsweise und Anwendungen

Autoren : Timur Kurnaz und Benno Willemsen Termin : 19.11.04 Betreuer : Dipl.-Math. Polivios Mayiopoulos Unterschrift :

Hinweis : Die Informationen in diesem Dokument werden ohne Rücksicht auf eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernommen werden. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler sind Autoren und Herausgeber dankbar. Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Die gewerbliche Nutzung der in diesem Produkt gezeigten Modelle und Arbeiten ist nicht zulässig. Fast alle Hardware- und Softwarebezeichnungen, die in diesem Skript erwähnt werden, sind gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden.

Seite 3

Laser – Funktionsweise und Anwendungen

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis......................................................................................................................... 3 1 Einleitung .................................................................................................................................. 4 2 Geschichte des Lasers ............................................................................................................... 4 3 Physikalische Grundlagen......................................................................................................... 5 3.1 Wellen .................................................................................................................................... 5 3.2 Elektromagnetische Wellen ................................................................................................... 6 3.3 Licht ....................................................................................................................................... 6 3.4 Photonen................................................................................................................................. 6 3.5 Kohärenz ................................................................................................................................ 7 4 Funktionsweise des Lasers........................................................................................................ 7 4.1 Wirkungsprinzip der Lichtverstärkung .................................................................................. 7 4.2 Aufbau eines Lasers ............................................................................................................... 8 4.3 Lasertypen ............................................................................................................................ 10 4.3.1 Festkörperlaser (Rubinlaser) ............................................................................................. 10 4.3.2 Halbleiterlaser ................................................................................................................... 10 4.3.3 Gaslaser ............................................................................................................................. 11 4.3.4 Flüssigkeitslaser ................................................................................................................ 11 4.3.5 Freie-Elektronen-Laser (FEL)........................................................................................... 11 5 Einteilung nach Gefahrenklassen............................................................................................ 12 6 Anwendungen des Lasers........................................................................................................ 12 6.1 Einfache oder bekannte Anwendungen des Lasers.............................................................. 12 6.1.1 Laserstrahl als Referenzgerade ......................................................................................... 12 6.1.2 Laserstrahl als Referenzebene........................................................................................... 13 6.1.3 Laser als Lichtschranke..................................................................................................... 13 6.1.4 Oberflächenanalyse mit Lasern......................................................................................... 14 6.1.5 Laser in der Medizin ......................................................................................................... 15 6.1.6 Laser in Rauchmeldern ..................................................................................................... 15 6.1.7 Metallzuschneidung mit Lasern ........................................................................................ 16 6.1.8 Laser in der Datenverarbeitung......................................................................................... 16 6.2 Entfernungsmessung mit Lasern .......................................................................................... 17 6.3 Geschwindigkeitsmessung mit Lasern................................................................................. 19 7 Fazit......................................................................................................................................... 21 8 Anhang .................................................................................................................................... 22 8.1 Abbildungsverzeichnis......................................................................................................... 22 8.2 Literaturverzeichnis.............................................................................................................. 22 8.3 Stichwortverzeichnis ............................................................................................................ 23

Seite 4


1 Einleitung Die meisten Menschen wissen, dass Laser mittlerweile in unzähligen alltäglichen Geräten und Maschinen verwendet werden. Doch was ist überhaupt ein Laser und wie funktioniert er? Mit diesen Fragen wollen wir uns in diesem Seminarvortrag beschäftigen. Außerdem möchten wir neben den bekannten Anwendungen aus Medizin und Technik weitere weniger bekannte Laserapplikationen vorstellen. Es drängt sich auch die Frage auf, warum für solche Aufgaben kein 'normales' Licht einer Glühlampe ausreicht. Zunächst einmal müssen jedoch einige physikalische Grundlagen geklärt werden, die für das Thema Laser notwendig sind, aber nicht als bekannt vorausgesetzt werden können.

2 Geschichte des Lasers Das Grundprinzip des Lasers, die „stimulierte Emission“ von Licht, wurde in der Theorie bereits 1917 von Albert Einstein entwickelt.

Abbildung 1 : Einstein

Abbildung 2 : Maiman

Jedoch gelang dem sowjetischen Physiker W.A. Fabrikant erst 23 Jahre später die erste praktisch durchgeführte Lichtverstärkung. 1954 konstruierten C.H. Townes, J. Gordon und H. Zeiger von der New York Columbia University den ersten Ammoniak-Maser, den Vorgänger des Lasers. Maser steht für Microwave oder Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Der Unterschied zum Laser bestand darin, dass nicht Lichtwellen verstärkt werden, sondern Mikrowellen. Vier Jahre später wurde der Vorschlag gemacht selbiges Prinzip auf Lichtwellen zu übertragen, womit die Idee des Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) geboren war. 1960 gelang T.H. Maiman die erste experimentelle Demonstration des Laserprinzips. Auf seinen Rubinlaser, der Licht mit einer Wellenlänge von 694,3 nm aussandte, folgte ein Jahr später der erste Gaslaser (HeNe), der erstmals kontinuierliches Licht abgab. Bald darauf folgten die Halbleiterlaser. Die Entwicklung von Lasern ist aber bis heute noch nicht abgeschlossen. Es wird ständig an neuen Varianten und Verbesserungen gearbeitet, die einfacher zu handhaben, störunanfälliger und kostengünstiger sind.

Seite 5


3 Physikalische Grundlagen

3.1 Wellen Eine Welle ist eine Form der Energieausbreitung. Dabei oszilliert die Amplitude mit fortschreitender Zeit bzw. fortschreitender Strecke.

Abbildung 3 : Welle

In Abbildung 3 sind zwei Wellen dargestellt, die in unterschiedliche Richtungen schwingen. Beiden gemein ist aber die Wellenlänge. Diese beschreibt die Strecke, die eine Welle benötigt, um eine komplette Schwingung auszuführen, um anschließend wieder an genau derselben Stelle (nur eine Schwingung weiter) zu stehen. Ein weiteres Merkmal einer Welle ist die Frequenz, die jedoch eindeutig mit der Wellenlänge gekoppelt ist. Es gilt die Gleichung fc ⋅= λ , wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, λ die Wellenlänge und f die Frequenz ist. Die Phasenlage einer Welle beschreibt den aktuellen Zustand einer Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt. Sie gibt also den momentanen Wert der Welle wieder und bewegt sich somit im Intervall [ ]AA,− , wobei A die Amplitude, also die maximale Auslenkung der Welle ist. Wellen haben auch immer eine Richtung, in der sie schwingen. In Abbildung 3 schwingt die eine in einer senkrechten Ebene, die andere in einer waagerechten. Mit Hilfe von Filtern lassen sich Wellen, die in bestimmten Ebenen schwingen selektieren. Diesen Vorgang nennt man Polarisation. Polarisierte Wellen schwingen somit in der gleichen Ebene.

Abbildung 4 : Polarisation

Seite 6


Wellen, die sowohl die gleiche Wellenlänge (also auch die gleiche Farbe) als auch die gleiche Phasenlage besitzen, werden als kohärent bezeichnet. Das von einem Laser emittierte Licht ist sowohl polarisiert mittels eines Filters als auch kohärent, wobei die Kohärenz gerade die zentrale Eigenschaft des Lasers ist. Man kann Laserlicht aufgrund dieser Eigenschaft wunderbar von anderem Licht unterscheiden, indem man nach der gewünschten Wellenlänge bzw. Frequenz, Phasenlage oder Polarisationsebene selektiert. Ein weiterer wichtiger Begriff in der Wellentheorie ist die Modulation. Darunter versteht man die Modifikation einer oder mehrerer Eigenschaften einer Welle. Mit dem Begriff Amplitudenmodulation meint man die Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Amplitude einer Welle.

3.2 Elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Wellen sind Wellen eines elektromagnetischen Feldes. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit c entspricht im Vakuum der Lichtgeschwindigkeit von

smc 458.792.2990 = . In Medien wie Luft werden die Wellen gebremst, so dass 0c nicht

ganz erreicht werden kann.

3.3 Licht Licht ist eine Form der elektromagnetischen Wellen. Man unterscheidet zwischen (für den Menschen) sichtbaren Licht und unsichtbaren Licht. Das sichtbare Licht sind alle Wellen mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 750 nm und somit einer Frequenz von 4 THz – 10 THz. Die Wellenlänge bzw. Frequenz nehmen Lebewesen als Farben wahr. Wellenlängen knapp oberhalb der genannten sind infrarote Strahlen und knapp darunter findet man die ultravioletten Strahlen. Die Amplitude gibt die Intensität der Strahlung wieder. Auch Laserlicht gibt es in unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen) und Intensitäten.

Abbildung 5 : Elektromagnetisches Spektrum

3.4 Photonen Ein Photon ist ein Lichtquantum. In der Quantenphysik versucht man Materie und Energie als Quanten zu beschreiben. Mit Quanten meint man nichtteilbare Mengen, die Teilchencharakter besitzen. Somit kann man sich ein Photon als ein Lichtteilchen vorstellen. Licht besitzt also sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter. Für die Existenz jeder der beiden Eigenschaften gibt es Hin- und Beweise, so dass Licht dem so genannten Welle-Teilchendualismus unterliegt.

Seite 7


3.5 Kohärenz Unter Kohärenz versteht man das Gleichschwingen (bzgl. Frequenz, Phase und Schwingungsebene) zweier Wellen (z.B. Laserlichtwellen).

4 Funktionsweise des Lasers Laserlicht entsteht durch eine Lichtverstärkung auf atomarer Ebene. Es handelt sich bei Laserlicht um kohärentes Licht, das einfarbig (monochromatisch) ist und aus einem nahezu parallelen Lichtbündel besteht.

4.1 Wirkungsprinzip der Lichtverstärkung Mittels Energiezufuhr (beispielsweise in Form von Wärmeenergie) ist es möglich die Elektronen eines Moleküls oder eines einzelnen Atoms auf ein energetisch höheres Niveau zu bringen. Das Elektron befindet sich dann in einem „angeregten Zustand“. Dieser „angeregte Zustand“ besteht aber nur für ein Billionstel einer Sekunde. Elektronen streben stets, physikalischen Gesetzen folgend, das niedrigere Energieniveau an. Beim Rückfall („Quantensprung“) auf den Grundzustand wird Energie freigesetzt. Dies geschieht in Form einer elektromagnetischen Strahlung und wird auch „spontane Emission“ genannt. Dieser Vorgang findet ohne Einwirkung von Fremdelektronen statt. Diese emittierte elektromagnetische Strahlung (Photonen) entspricht im Betrag exakt der eingesetzten Energiemenge. Es entstehen also keinerlei Energieverluste. Das freigesetzte Photon breitet sich im jeweiligen Medium (Gasgemische, Feststoffe etc.) aus, wobei es zu Zusammenstößen mit Elektronen kommt. Liegt das Elektron im „angeregtem Zustand“ vor, wird es absorbiert. Durch diese Absorption wird eine frühzeitige Entladung ausgelöst und zwei Photonen freigesetzt. Dieser Vorgang wird als „induzierte bzw. stimulierte Emission“ bezeichnet, da die Lichtaussendung durch ein Fremdphoton ausgelöst wurde. Das Besondere bei diesem Vorgang ist jedoch, dass die emittierten Photonen über dieselbe Wellenlänge und Phasenlage verfügen wie das die Absorption auslösende Photon.

Abbildung 6 : Lichtverstärkung

Seite 8


Die „induzierte Emission“ benötigt im Gegensatz zur „spontanen Emission“ ein angeregtes Medium, also ein Medium mit einer größeren Menge an Elektronen im „angeregten Zustand“ als einfache Elektronen. Dieser Zustand wird als Besetzungsinversion bezeichnet und ist eine notwendige Bedingung bei der Umsetzung einer Lichtverstärkung. Wird nun ein Photon in ein Medium gelenkt, in dem eine Besetzungsinversion herrscht, so findet eine Kettenreaktion statt. Nacheinander finden „induzierte Emissionen“ statt. Die Eigenschaft, dass die emittierten Photonen dieselbe Wellenlänge und Phasenlage haben, führt dazu, dass das im Medium befindliche Lichtbündel kontinuierlich verstärkt wird.

4.2 Aufbau eines Lasers Die wesentlichen Bestandteile eines Lasers sind eine externe Energiequelle, ein Verstärkermedium und ein Resonator. Wird ein Medium, in dem eine Besetzungsinversion herrscht, mittels zweier Spiegel so angeordnet, dass Photonen stets eine „induzierte Emission“ auslösen, wird von einem optischen Resonator gesprochen. Das Zuführen externer Energie, auch als pumpen bezeichnet, erzeugt eine Besetzungsinversion im Lasermedium und wird mittels optischer und elektrischer Verfahren erreicht. Für einen Gaslaser, wie den Helium-Neonlaser, benutzt man eine elektrische Entladung als Pumpe. Optisches Pumpen wendet man bei Festkörper- oder Farbstofflasern an. Die Energie wird dabei durch intensive Strahlung einer thermischen Hochleistungslichtquelle (z.B. Blitzlampe) oder eines anderen Lasers zugeführt. Als Lasermedium werden sowohl gasförmige (Kohlendioxid, Stickstoff, Helium-Neon Gemische, Metalldämpfe), flüssige (Lösungen organischer Farbstoffmoleküle) als auch feste Stoffe (Rubinkristalle, Halbleiter) verwendet. Durch ihr spezielles Energieniveau wird die Wellenlänge der Laserstrahlung bestimmt. Das Lasermedium befindet sich in einem Resonator, ist also zwischen zwei Plan- oder gekrümmten Spiegeln eingeschlossen. Die Photonen laufen zwischen den Spiegeln hin und her, wodurch im Medium ständig Lichtaussendungen erfolgen und hierdurch den Strahl verstärken. Hierdurch erreicht man die Bildung einer stehenden Welle, die entsteht, wenn eine Welle reflektiert wird und sich mit sich selbst überdeckt. Hierbei entsteht der Eindruck, dass die Welle zum Stillstand gekommen ist. Einer der Spiegel besitzt einen Reflexionsgrad von 100%, der andere etwa von 98%, damit die stehende Welle teilweise austreten kann (siehe Abb. 7). Der austretende Laserstrahl kann in seiner Leistungsstärke von einem Milliwatt bis zu einigen Megawatt reichen. Unterteilt wird der Strahl in 2 Gruppen: „Gepulste Laser“ und „Dauerstrich Laser“. Während der Dauerstrich Laser kontinuierlich Strahlen sendet, emittiert der Gepulste Laser die Lichtenergie in Form von Lichtblitzen, die nicht länger sind als wenige Millisekunden (siehe Abb. 8).

Seite 9


Abbildung 7 : Aufbau eines Lasers

Abbildung 8 : Dauerstrich- und gepulste Laser

Lichtquelle Lichtleistung Leistungsdichte

Sonne 10 26 Watt 5x10² W/cm²

100 Watt Glühlampe 3 Watt 10 2− W/cm²

Helium-Neon-Laser 1 mWatt 4x10 4 W/cm²

CO2 Laser 60 Watt 5x10 6 W/cm²

Gepulster Laser 1 GWatt 1014 W/cm²

Seite 10


4.3 Lasertypen

4.3.1 Festkörperlaser (Rubinlaser) Festkörperlaser bieten die höchste Leistungsausbeute. Die gebräuchlichsten Festkörperlasermedien sind Stäbe aus kristallinem Rubin oder Neodym enthaltenden Gläsern oder Kristallen. Die Hauptbestandteile eines Rubinlasers sind ein Rubinstab und ein Resonator. Die Enden eines solchen Stabes sind als zwei parallele Flächen ausgeführt und mit einem hochreflektierenden nichtmetallischen Spiegelbelag versehen. Der Stab wird von einer Quecksilberdampflampe umwickelt, es kommt zu einer sehr starken Lichtentwicklung. Die Energie der Lichtblitze versetzt die Elektronen der Chromatome im Rubinstab in den angeregten Zustand. Diese Chromatome geben Lichtteilchen mit gleicher Energie ab. Diese Teilchen werden zwischen den verspiegelten Flächen hin und her geworfen. Es werden immer mehr Chromatome angestoßen und zur Abgabe weiterer Lichtteilchen angeregt. Die Zahl der Lichtteilchen schaukelt sich weiter auf und es entsteht eine stehende Welle. Erreicht der Strahl eine bestimmt Intensität, durchdringt er die teilverspiegelte Fläche und tritt als dunkelroter Strahl nach außen.

Abbildung 9 : Rubinlaser

4.3.2 Halbleiterlaser Halbleiter sind im allgemeinen feste Stoffe, die sich bei tieferen Temperaturen wie Isolatoren verhalten, bei steigender Temperatur eine merkliche Leitfähigkeit zeigen und einen sinkenden Widerstand haben. Halbleiterlaser sind in ihren Abmessungen die kompaktesten Laser und bestehen aus einem 300µm * 40µm großen Halbleiter-Stab. An seinen Enden ist der Stab verspiegelt und planpoliert. Durch das Anlegen einer geringen Versorgungsspannung an den Halbleiter entsteht eine Lichtwelle, die zwischen den Spiegeln hin und her geworfen wird bis sie die teilverspiegelte Fläche nach außen durchdringen kann. Die hierzu am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind Galliumarsenid, Indiumphosphid und Galliumnitrid. Halbleiterlaser sind geeignet für den Dauerbetrieb und erreichen Wirkungsgrade über 50 Prozent und zählen zu den preiswertesten Lasern.

Seite 11


4.3.3 Gaslaser Das Lasermedium eines Gaslasers kann ein reines Gas, ein Gasgemisch oder Metalldampf sein und befindet sich zu diesem Zweck in einem zylindrischen Gefäß aus Glas oder einem Quarzrohr. Die zwei Spiegel, die den Resonator bilden, sind außerhalb dieses Gefäßes angebracht. Gaslaser werden mit UV-Licht, Elektronenstrahlen, elektrischem Strom oder über chemische Reaktionen (elektrische Entladungen im Gasgemisch) gepumpt. Durch in die Röhre eingeschmolzene Elektroden, die an Hochspannung angeschlossen sind, fließt ein elektrischer Strom, der die Gasatome in der Röhre anstößt. Dadurch lädt er sie mit Energie auf, wobei es durch den Rückfall auf das ursprüngliche Energieniveau zur Abgabe von Lichtquanten kommt. Die Teilchen werden an den Stirnflächen reflektiert und treten an der Teilverspiegeltenfläche als Lichtwelle aus. Die Röhren können sich so stark erwärmen, dass sie zerstört werden. Darum müssen diese Geräte sehr stark und aufwendig gekühlt werden. Bei CO2-Lasern muss außerdem immer Frischgas zugeführt und das verbrauchte Gas abgesaugt werden. Der Helium-Neon-Laser wiederum ist bekannt für seine Frequenzstabilität, Farbreinheit und minimale Strahlaufweitung. Kohlendioxidlaser haben einen sehr hohen Wirkungsgrad und sind mithin die leistungsstärksten Laser für den Dauerbetrieb.

Abbildung 10 : Gaslaser

4.3.4 Flüssigkeitslaser Eine Flüssigkeit als laseraktives Medium befindet sich in einer Küvette, die beiderseitig mit Planspiegeln abgeschlossen ist. Eine Küvette ist ein Gefäß mit planparallelen Seitenflächen, das für optische Untersuchungen verwendet wird. Mittels einer Pumplampe wird das Medium aktiviert. Gebräuchlichste Flüssigkeitslaser sind Farbstofflaser. Derzeit werden über 40 Stoffe eingesetzt, von denen jeder für eine andere Laserfrequenz, Pumpfrequenz oder Einsatzbedingung geeignet ist. Farbstofflaser emittieren von Natur aus über 10nm breite Linien.

4.3.5 Freie-Elektronen-Laser (FEL) 1977 gelang es Laser zu konstruieren, die mit Strahlen freier Elektronen (die nicht an Atome gebunden sind) arbeiten. Bei Freie-Elektronen-Lasern (FEL) besteht das Lasermedium weder aus einem Festkörper noch aus einem Gas. Vielmehr kommt hier ein Strahl von nicht an Atomen gebundenen Elektronen zum Einsatz, der mit hoher Energie durch eine besondere Magnetstruktur, den Undulator, fließt. Ein Undulator erzeugt ein Magnetfeld, das seine Ausrichtung längst einer Achse periodisch ändert und so Elektronen auf eine wellenförmige Bahn bringt.

Seite 12


5 Einteilung nach Gefahrenklassen Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach DIN EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller : Klasse 1 : Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich. Klasse 1M : Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden. Klasse 2 : Die zugängliche Laserstrahlung liegt nur im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s) ungefährlich auch für das Auge. Eine längere Bestrahlung wird durch den natürlichen Lidschlussreflex verhindert. Klasse 2M : Wie Klasse 2 solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser verwendet werden. Klasse 3R : Eine Gefährdung des Auges ist möglich aber unwahrscheinlich. Maximal 5-fache Leistung der Klasse 2 im sichtbaren oder der Klasse 1 im unsichtbaren Spektralbereich. Klasse 3B : Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut. Klasse 4 : Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Die Laserstrahlung kann Brand- oder Explosionsgefahr verursachen.

6 Anwendungen des Lasers

6.1 Einfache oder bekannte Anwendungen des Lasers

6.1.1 Laserstrahl als Referenzgerade In der Bauwirtschaft werden Laser bei unterschiedlichen Bauvorhaben als Referenzgerade eingesetzt. Das einfachste Beispiel ist hier der Tunnelbau. Die Vortriebsrichtung der Fräse muss dabei permanent überprüft werden. Hierzu stellt man auf einem Punkt, dessen Koordinaten bereits bestimmt wurden, einen Laser auf und zielt genau in die Richtung, in die der Tunnel getrieben werden soll. Nun kann ein Sensor an der Fräse genau feststellen, ob und wie viel er von der vorgegebenen Richtung abweicht. Allerdings sind auch hier die Grenzen schnell erreicht, da auch ein Laser keinen 100 Prozent sauberen parallelen Lichtstrahl erzeugt, sondern auch eine gewisse Divergenz aufweist, die den oben beschriebenen Aufbau bei großen Entfernungen unbrauchbar macht.

Seite 13


Abbildung 11 : Tunnelbau mit Laserreferenzgerade

6.1.2 Laserstrahl als Referenzebene Ein ähnliches Prinzip wird bei der Überprüfung der Einsatzhöhe von Baggern oder ähnlichen Baumaschinen verwendet. Hier hat man jedoch das Problem, dass sich der Bagger - im Gegensatz zur Fräse beim Tunnelbau - in mehreren Dimensionen bewegen kann. Nur die Höhe der Schaufel muss konstant bleiben. Hierzu wird nun ein Laser mit einem rotierenden Prisma oder Spiegel eingesetzt. Somit erzeugt der Laser keine Gerade, sondern eine Ebene, auf der sich nun das Ziel bewegen darf.

Abbildung 12 : Abtragung mit Laserreferenzebene

6.1.3 Laser als Lichtschranke Die vielleicht sogar einfachste Anwendung von Lasern ist das Zählen und Kontrollieren. So kann man mit Hilfe einer einfachen Lichtschranke, wie man sie bei Alarmsystemen kennt, einen Durchgang auf Personen überprüfen, die den Durchgang unerlaubterweise betreten könnten.

Seite 14


Man könnte mit einer solchen Apparatur auch die Anzahl der produzierten Gegenstände, die über ein Förderband laufen zählen. Der Aufbau zu den beschriebenen Versuchen ist einfach. Man stellt einem Laser einen Lichtdetektor gegenüber, der sich meldet, sobald die Lichtschranke unterbrochen wurde.

Abbildung 13 : Laserlichtschranke

6.1.4 Oberflächenanalyse mit Lasern Laser können auch zur Oberflächenanalyse von Werkstücken eingesetzt werden. Dabei wird die Oberfläche so mit Laserlicht bestrahlt, dass das Licht bei korrekter glatter Oberfläche in gleichem Winkel reflektiert wird und von einem Sensor aufgefangen wird. Ist die Oberfläche an der entsprechenden Stelle jedoch nicht in Ordnung, so wird das Licht in einem anderen Winkel reflektiert und trifft somit nicht im Sensor ein, wodurch ein Fehler ausgelöst würde. Ein ähnliches Prinzip wird auch beim Lesen einer CD angewendet. An den Pits (Erhöhungen) und Lands (Vertiefungen) werden die Laserstrahlen reflektiert, an den Übergängen jedoch nicht, wodurch die gewünschte Bitfolge gelesen werden kann.

Abbildung 14 : Oberflächenanalyse

Beim Brennen einer CD löst das Laserlicht auf der Oberfläche eines Rohlings eine chemische Reaktion aus, wodurch sich kleinste Bläschen bilden. Diese können wiederum beim Lesen als leichte Erhebungen registriert werden.

Seite 15


6.1.5 Laser in der Medizin In der Medizin gibt es vielseitige Einsatzmöglichkeiten für Laser. Bei den meisten geht es um die Entfernung überflüssigen Gewebes. Die typischen Anwendungen sind das Stillen von Blutungen, die Korrektur von Kurz- und Weitsichtigkeit durch gezieltes Abtragen von Hornhaut oder die Anwendung von Laserstrahlung als Skalpell in der Chirurgie.

Abbildung 15 : Augen-OP mit Laser

Ein relativ neues Verfahren in der Medizin ist die photodynamische Therapie. Dabei wird Laserlicht in Kombination mit Photosensibilisatoren eingesetzt. Die Photosensibilisatoren machen das Gewebe, das entfernt werden soll, besonders lichtempfindlich, so dass es durch die Laserstrahlung selektiv unter Schonung des umliegenden Gewebes zerstört werden kann. Eine weitere Anwendung findet der Laser bei der Zertrümmerung von Nieren- und Gallensteinen.

6.1.6 Laser in Rauchmeldern In Rauchmeldern werden teilweise auch Laserdioden eingesetzt. Ein lichtempfindlicher Detektor ist dabei so angebracht, dass ihn bei klarer Luft kein ausgesandtes Laserlicht erreicht. Liegt dagegen Rauch in der Luft, so werden die Lichtstrahlen diffus reflektiert und ein Teil von ihnen fällt in den Detektor, der sofort Alarm auslöst.

Abbildung 16 : saubere Luft

Seite 16


Abbildung 17 : Rauch

6.1.7 Metallzuschneidung mit Lasern In der Metallverarbeitung werden Laser als Schneidwerkzeuge eingesetzt. Sie sind hierfür besonders geeignet, aufgrund ihrer hohen Genauigkeit. Laser werden dazu hauptsächlich zur Bearbeitung von kleineren bis mittleren Losen, dessen Bearbeitung höchste Präzision erfordern, eingesetzt.

Abbildung 18 : Mit Laser angefertigte Serienteile

6.1.8 Laser in der Datenverarbeitung In der Datenverarbeitung dient der Laser hauptsächlich dem Informationsaustausch. Die Funktionsweise des Lesens und Schreibens von CDs haben wir bereits unter Oberflächenanalyse kurz erläutert. Darüber hinaus wird der Laser in der Datenübertragung mit Glasfaserkabeln eingesetzt. Hierbei sendet ein Laser (oder auch eine LED) ein Lichtsignal aus, das nach bestimmten Vorschriften moduliert wurde und eine gewisse Bitfolge symbolisiert. Das Signal wird nun innerhalb des Glasfaserkabels ständig reflektiert und gelangt letztendlich zum Empfänger, wo die vom Sensor empfangenen Signale wieder als Bitfolge interpretiert werden können.

Seite 17


6.2 Entfernungsmessung mit Lasern In der Geodäsie (Vermessung) werden Laser unter anderem zur Entfernungsmessung eingesetzt. Das Prinzip hierzu ist eigentlich nicht schwierig. Ein Laser wird an der Stelle platziert, dessen Abstand man zu einem zweiten Punkt bestimmen möchte. Am Laser wird ein empfindlicher Lichtsensor angebracht. Dieser sollte in der Lage sein einfallendes Licht in elektrische Impulse umzuwandeln. Außerdem muss die Apparatur eine hochgenaue Uhr beinhalten. Zur Bestimmung des Abstandes wird nun die Differenz der Zeiten vom Aussenden des Lichtstrahls durch den Laser bis zum erneuten Eintreffen des vom gewünschten Gegenstand reflektierten Lichtstrahls im Lichtsensor bestimmt.

Abbildung 19 : Entfernungsmessung

Nun wird auch schnell klar, wo hier die Vor- und Nachteile dieses Verfahrens liegen. Die Nachteile des Messens mit Lasern sind : Es entstehen Ungenauigkeiten in der Zeitbestimmung, da sowohl die Erzeugung des Laserstrahls als auch die Umsetzung des empfangenen Strahls in einen elektrischen Impuls ebenfalls Zeit benötigen. Diese Zeiten liegen zwar im Nanosekundenbereich, aber bei einer Lichtgeschwindigkeit von knapp 300000 km/s würde eine Nanosekunde ( 910− s) schon einen Fehler von 30 cm ausmachen. Deshalb ist es wichtig, dass die benötigten Zeiten für diese notwendigen Operationen möglichst genau bekannt sind. Hinzu kommt das Problem, dass sich das Licht nicht konstant schnell ausbreitet. Durch atmosphärische Störeinflüsse kann nämlich der Brechungsindex der Atmosphäre verändert werden. Ein weiteres Problem der Methode ist, dass auch ein Laserstrahl nicht parallel verläuft, sondern sich ebenfalls ausbreitet (Divergenz). Der Laserstrahl hat bei einer Strecke von 50 km bereits einen Durchmesser von 50 m. Somit müsste das anvisierte Ziel schon sehr groß sein, damit noch genügend Licht reflektiert wird, um das elektrische Signal im Empfänger auszulösen. Eine Möglichkeit die Reflektion des Zieles zu verbessern ist die Anbringung eines Tripelspiegels. Dieser reflektiert das Licht immer wieder so, dass es parallel zum einfallenden Licht verläuft.

Seite 18


Abbildung 20 : Tripelspiegel

Arbeitet man ohne Tripelspiegel, so erfolgt die Reflektion des Lichts diffus, d.h. das Licht wird gleichverteilt in alle Richtungen reflektiert. Dann wäre es schwierig genügend Lichtenergie zu erhalten, die auch wirklich den Lichtsensor erreicht. Man würde bei einer Entfernung von 10 km mit Tripelspiegel etwa 1000-mal soviel Lichtenergie empfangen als hätte man die gleiche Messung ohne Tripelspiegel gemacht. Hohlspiegel, Sammellinsen und Interferenzfilter sind weitere Hilfsmittel. Sie werden vor dem Photodetektor installiert um mehr reflektiertes Licht einzufangen und möglichst wenig Störlichteinfluss, der durch das normale Tageslicht ausgelöst wird, zu erhalten. Da die Empfindlichkeit des Empfängers bei Tageslicht praktisch nur noch vom Störlicht abhängt, könnte man auf die Idee kommen die Messung bei Dunkelheit durchzuführen. Jedoch in der Praxis lässt sich dann natürlich das Ziel nicht mehr mit der Zielvorrichtung erfassen. Jetzt fragt man sich sicher, wofür ein Verfahren mit all diesen Nachteilen denn noch geeignet ist. Dazu sei gesagt, dass die Vermessung mit Lasern wirklich nur bei bestimmten Anforderungen Sinn macht. Die Vorteile der Lasermessung sind die hohe Genauigkeit auch bei extrem langen Strecken. Hieraus ergibt sich als Anwendung z.B. die Messung der Abstände der Erde zu Gegenständen außerhalb unseres Planeten, wie z.B. zu Satelliten oder zum Mond. Tatsächlich stehen zu diesem Zweck auf dem Mond Spiegel, die nur zu dem Zweck von Astronauten aufgestellt wurden, den Abstand Mond-Erde zu bestimmen. Man kann solche großen Strecken jedoch nur schaffen, weil die atmosphärischen Störungen mit zunehmender Höhe immer geringer werden, weil die Dichte der Atmosphäre mit zunehmender Höhe abnimmt.

Seite 19


Abbildung 21 : Entfernungsmessung zum Mond

6.3 Geschwindigkeitsmessung mit Lasern Zunächst einmal muss an dieser Stelle der Doppler-Effekt erläutert werden. Dabei handelt es sich um die Frequenzänderung bei bewegten Gegenständen. Aus dem Alltag kennt man diesen Effekt, wenn ein Krankenwagen oder Polizeifahrzeug mit Martinshorn vorüber fährt. Dabei hört derjenige, der hinter dem Fahrzeug einen anderen Ton als derjenige, der sich vor dem fahrenden Fahrzeug befindet. Dies ist dadurch zu erklären, dass die Frequenz bei bewegten Gegenständen durch die eigene Geschwindigkeit moduliert wird.

Abbildung 22 : Doppler-Effekt

Die Frequenzänderung lässt sich mit der Formel c

vvv Mo ⋅=∆ 2 recht einfach berechnen,

wobei v∆ die Frequenzänderung in 1−s , 0v die Frequenz des Sendestrahls in 1−s , Mv die

Geschwindigkeit des Messobjektes in sm und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Seite 20


Beispiel : Man verwendet einen Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge nm8,632=λ . Hieraus

ergibt sich mit Hilfe von λ10 =

cv

Mvv ⋅⋅=∆ 61016,3 .

Bei einem Fußgänger mit einem Tempo von 3,6 km/h, einem Auto mit 108 km/h und einem Düsenjet mit 1200 km/h ergeben sich folgende Frequenzänderungen :

MHzvFussgänger 3≈∆ MHzvAuto 100≈∆

GHzvJet 1≈∆ Mit einem solchen Laser lassen sich also auch geringe Geschwindigkeiten anhand der großen Frequenzänderungen erkennen. Man erkauft sich diesen Vorteil jedoch auch mit einem großen Frequenzspektrum, das der Detektor zu verarbeiten hat. Der Doppler-Effekt lässt sich nun für die Geschwindigkeitsmessung mit einer Laserapparatur ausnutzen. Man stellt einen Laser mit integriertem Detektor auf. Dieser sendet einen Laserstrahl aus, der von dem gewünschten Objekt reflektiert wird und vom Sensor wieder eingefangen wird. Soweit unterscheidet sich das Verfahren nicht von der Abstandmessung. Jedoch wird hier nicht die Zeit gemessen, die der Strahl benötigt, sondern man analysiert die Frequenz des reflektierten Strahls. Dieser wurde durch den oben beschriebenen Doppler-Effekt je nach Eigengeschwindigkeit des Objektes moduliert. Die so erhaltene Frequenz wird mit der des so genannten Oszillatorstrahls verglichen. Mit dem Oszillatorstrahl ist ein Strahl gemeint, der vom Sender direkt auf den Detektor übertragen wird und dessen Stärke ungefähr 1% der Gesamtstrahlung beträgt. Er dient ausschließlich zu Vergleichszwecken. Wünschenswert wäre außerdem die Anbringung von Tripelspiegeln auf den Objekten, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll. Eine solche Maßnahme würde die Messung zwar erleichtern, aber z.B. bei der Verkehrsüberwachung macht ein vorheriges Anbringen solcher Spiegel eher wenig Sinn, wie man sich leicht vorstellen kann. Deshalb wird eine derartige Geschwindigkeitsmessung in diesem Bereich auch nicht angewendet. Es gibt aber auch konkrete Anwendungen für eine solche Messmethode. So wird z.B. bei Andockversuchen zweier Raumschiffe die Geschwindigkeit, mit der sich eines dem anderen nähert mit Lasergeschwindigkeitsmessern durchgeführt. Diese eignen sich besonders, weil sie bei geringen Geschwindigkeiten eine hohe Genauigkeit liefern. In den heutigen Laserpistolen, die von der Polizei eingesetzt werden, wird dagegen ein anderes Verfahren zur Geschwindigkeitsbestimmung verwendet. Dazu sind in einer solchen Laserpistole alle Instrumente integriert, die man für eine Distanzmessung wie sie oben beschrieben wurde, benötigt. Wird auf den Auslöser gedrückt, so ermittelt das Gerät innerhalb einer kurzen Zeitspanne sehr viele Distanzen, so dass daraus durch Differenzenbildung die gefahrene Strecke und mit Hilfe der benötigten Zeit die letztendliche Geschwindigkeit errechnet werden kann.

Abbildung 23 : Geschwindigkeitsmessung

Seite 21


7 Fazit Trotz der vielen verschiedenen Lasertypen mit verschiedenen Medien konnten bisher noch nicht alle Wellenlängen des Lichts erschlossen werden. Durch die Entwicklung des Freie-Elektronen-Lasers soll dieses Problem aber bald der Vergangenheit angehören. Durch seine bereits genannten Vorteile und seine weitere Entwicklung wird der Laser in der Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen und noch weniger als heutzutage aus unserem Leben wegzudenken sein.

Seite 22


8 Anhang

8.1 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 : Einstein ...........................................................................................................4 Abbildung 2 : Maiman...........................................................................................................4 Abbildung 3 : Welle...............................................................................................................5 Abbildung 4 : Polarisation .....................................................................................................5 Abbildung 5 : Elektromagnetisches Spektrum ......................................................................6 Abbildung 6 : Lichtverstärkung.............................................................................................7 Abbildung 7 : Aufbau eines Lasers........................................................................................9 Abbildung 8 : Dauerstrich- und gepulste Laser .....................................................................9 Abbildung 9 : Rubinlaser.....................................................................................................10 Abbildung 10 : Gaslaser ......................................................................................................11 Abbildung 11 : Tunnelbau mit Laserreferenzgerade ...........................................................13 Abbildung 12 : Abtragung mit Laserreferenzebene ............................................................13 Abbildung 13 : Laserlichtschranke ......................................................................................14 Abbildung 14 : Oberflächenanalyse ....................................................................................14 Abbildung 15 : Augen-OP mit Laser...................................................................................15 Abbildung 16 : saubere Luft ................................................................................................15 Abbildung 17 : Rauch ..........................................................................................................16 Abbildung 18 : Mit Laser angefertigte Serienteile ..............................................................16 Abbildung 19 : Entfernungsmessung...................................................................................17 Abbildung 20 : Tripelspiegel ...............................................................................................18 Abbildung 21 : Entfernungsmessung zum Mond ................................................................19 Abbildung 22 : Doppler-Effekt............................................................................................19 Abbildung 23 : Geschwindigkeitsmessung..........................................................................20

8.2 Literaturverzeichnis TRADOWSKY, KLAUS : „Laser“, Vogel-Verlag, 2.Auflage GREHN, JOACHIM : „Metzler-Physik“, Poeschel-Verlag MATISCHEK, RAINER : „Laser – Grundlagen und Anwendung“,

http://pluslucis.univie.ac.at/FBA/FBA95/Matischek/laser.html PANZER, DR. S. : „Der Laser, seine Wirkungsweise und Anwendungsmöglichkeiten“ GOLDWASSER, SAMUEL L. : „Laser – FAQ“,

http://www.repairfaq.org/sam/lasersam.htm WIKIPEDIA : Online-Enzyklopädie KREFELDER REFERATE HOMEPAGE : „Was ist ein Laser“,

http://www.krref.krefeld.schulen.net/referate/physik/r0027t00.htm#U1

Seite 23


8.3 Stichwortverzeichnis Amplitude 5 angeregter Zustand 7 Besetzungsinversion 8 Dauerstrich Laser 8 Doppler-Effekt 19 Elektromagnetische Wellen 6 Entfernungsmessung 17 Farbstofflaser 11 Festkörperlaser 10 Flüssigkeitslaser 11 Freie-Elektronen-Laser 11 Frequenz 5 Frequenzänderung 19 Gaslaser 11 Gefahrenklassen 12 Geodäsie 17 Gepulste Laser 8 Halbleiterlaser 10 Induzierte Emission 7 kohärent 6 Kohärenz 7 Küvette 11 Laserpistole 20 Licht 6 Lichtgeschwindigkeit 6 Lichtschranke 13

Lichtverstärkung 7 Maser 4 Medium 8 Medizin 15 Modulation 6 Oberflächenanalyse 14 Oszillatorstrahl 20 Phasenlage 5 Photon 6 Polarisation 5 Pumpen 8 Quantenphysik 6 Quantensprung 7 Rauchmelder 15 Referenzgerade 12 Resonator 8 Rubinlaser 10 Spontane Emission 7 Stimulierte Emission 7 Störungen 18 Tripelspiegels 17 Undulator 11 Welle 5 Wellenlänge 5 Welle-Teilchendualismus 6

LASER Funktionsweise und...

Documents

Transcript of LASER Funktionsweise und...