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Funktionsprinzipien von Lasern


Was ist Licht?

Licht ist ein kleiner Teil der elektromagnetischen Strahlung. In Abhängigkeit der Wellenlänge kann man Strahlen wie folgt unterteilen: Radiowellen, Infrarot Strahlen, sichtbares Licht, ultraviolette Strahlen, Röntgenstrahlen und Gamma Strahlen.

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Was ist Farbe?

Wenn die Wellenlängen des Lichts auf ein Objekt treffen, werden sie vom menschlichen Auge (von der Netzhaut) aufgenommen, falls sie reflektiert und nicht vom Objekt absorbiert wurden. In diesem Fall erkennen wir diese Wellenlängen als "Farbe" des Objekts. Aus diesem Grund sind wir in der Lage, eine Vielzahl von "Farben" zu erkennen. Beispielsweise reflektiert ein Apfel auf den Tageslicht trifft, rote Wellenlängen (~600 bis~ 700 nm) und absorbiert alle anderen Farben des Lichts. Deshalb erscheint der Apfel für das menschliche Auge rot.
*Schwarze Objekte absorbieren sämtliche Lichtstrahlen und erscheinen daher schwarz.

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Was ist sichtbares Licht?

Elektromagnetische Wellen, die sich in dem Wellenlängenbereich befinden, der für den Menschen sichtbar ist, werden "sichtbares Licht" genannt. Sichtbares Licht reicht von kurzen Wellenlängen zwischen 360 und 400 nm bis zu langen Wellenlängen zwischen 760 und 830 nm. Wellenlängen, die kürzer oder länger als sichtbares Licht sind, können vom menschlichen Auge nicht erfasst werden.

Was ist sichtbares Licht?

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Unterschiede zwischen normalem Licht und Laserstrahlen

Wie unterscheiden sich reguläre Lichtquellen (Lampen usw.) und Laser?
Laser senden extrem gerichtete Lichtstrahlen aus, das heißt, dass die gebündelten Lichtwellen zusammen in gerader Linie verlaufen und fast keine Streuung aufweisen. Herkömmliche Lichquellen emittieren Lichtwellen, die in alle Richtungen gestreut werden. Die Lichtwellen in einem Laserstrahl haben alle dieselbe Farbe (diese Eigenschaft nennt man Monochromatismus). Normales Licht (beispielsweise das Licht einer Glühbirne) ist in der Regel eine Mischung aus verschiedenen Farben, die kombiniert werden und im Ergebnis weiß erscheinen. Während sich die Lichtwellen in einem Laserstrahl fortbewegen, schwingen sie mit ihren Spitzen und Tälern in perfekter Synchronisation, eine Eigenschaft, die als Kohärenz bekannt ist. Wenn zwei Laserstrahlen übereinander gelegt werden, verstärken sich die Spitzen und Täler der Lichtwellen in jedem Strahl säuberlich und erzeugen dadurch ein Interferenzmuster.

Richtcharakteristik
(Lichtwellen werden in gerader Linie übertragen)
Monochromatismus Kohärenz
Normales Licht Glühbirne
Glühbirne
Viele verschiedene Wellenlängen
Viele verschiedene Wellenlängen
Laserstrahl Laser
Laser
Eine Wellenlänge
Eine Wellenlänge
Spitzen und Täler
gleichen sich an
Spitzen und Täler gleichen sich an

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Der Ursprung des Wortes Laser

Das Wort LASER ist ein Akronym, das für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) steht.

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Das Prinzip Laser

Wenn Atome von außen Energie aufnehmen, bewegen sich ihre Elektronen von einer unteren Ebene (niedriger Energiezustand) auf eine höhere Ebene (hoher Energiezustand). Dieser Zustand wird als angeregter Zustand bezeichnet. Dieser Zustand ist instabil, das Atom versucht sofort in den niedrigen Energiezustand zurückzukehren. Dieser Versuch wird Übergang genannt. Die zuvor eingebrachte Energie wird in Form von Licht wieder abgestrahlt. Dieses Phänomen nennt sich natürliche Emission. Das ausgestrahlte Licht kollidiert mit anderen Atomen, die sich in einem ähnlichen angeregten Zustand befinden, wodurch der „Übergang“ auch bei diesen Atomen ausgelöst wird. Diese, nochmals verstärkte Lichtemission, wird als stimulierte Emission bezeichnet.

Das Prinzip Laser

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Laserarten

Laser lassen sich grob in 3 Arten einteilen: Festkörper-, Gas- und Flüssigkeitslaser.

*Der für Ihre Anwendung optimale Laser ist abhängig von dem Produktmaterial, der Taktzeit und anderen Faktoren.

Festkörperlaser Nd:YAG
  • - Grundwellenlänge (1064 nm)
  • - Erste Oberwelle (532 nm)
    (Grüner Laser)
  • -Zweite Oberwelle (355 nm)
    (UV-Laser)
YAG (Yttrium-Aluminium-Granat)
  • - Universalmarkierungsanwendungen
  • - Zur Feinmarkierung und Verarbeitung von Siliziumwafern, Kunststoffen und reflektiven Metallen usw.
  • - Wird in der Mikroverarbeitung, LCD-Reparatur sowie zur Markierung von Kunststoffen und reflektiven Metallen eingesetzt
Nd:YVO4 (1064 nm) YVO4 (Yttriumvanadat)
  • - Wird in Anwendungen verwendet, bei denen eine hohe Spitzenleistung und eine äußerst stabile Strahlleistung benötigt werden
Yb: Faser (1090 nm) Yb (Ytterbium)
  • - Hohe Durchschnittsleistung und hervorragende Kühlleistung. Gut für Markierungen auf Metallen und Kunststoffen
LD: (650 bis 905 nm)
  • - Halbleiterlaser (GaAs, GaAIAs, GaInAs)
Gaslaser CO2 (10.6μm)
  • - Wird vielfach für die Markierung von Etiketten, das Ätzen von Kunststoffen und Kunstharzen sowie in der Verarbeitung und zum Schneiden verwendet
He-Ne (630 nm) (rot) ist gängig
  • - Häufigste Anwendung in Messinstrumenten.
Excimer (193 nm)
  • - Nutzt eine Kombination aus Edelgas und Wasserstoffgas zur Erzeugung kürzerer UV-Wellenlängen.
    Wird am häufigsten in der Optometrie zur Verdampfung der Linse des menschlichen Auges verwendet.
Argon (488 bis 514 nm)
  • - Wird primär in wissenschaftlichen Anwendungen und in Forschungen in Bezug auf die Biomedizin verwendet.
Flüssigkeitslaser Farbstoff (330 bis 1300 nm)
  • - Wird vielfach in wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt.
    Farbstoffe werden vom Laserlicht angeregt und geben dann fluoreszierendes Licht ab.

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CO2-Laser

Ein CO2-Laser wird vor allem zur Materialbearbeitung 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 Materialbearbeitung. 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 Materialbearbeitung 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.


Eigenschaften der einzelnen Wellenlängen

Wellenlänge: 10600 nm

Wellenlänge: 10600 nm

CO2-Laser weisen eine 10-mal größere Wellenlänge auf als YAG-,YVO4- oder Faserlaser. Das ist die größte Wellenlänge unter den üblichen Industrielasern. Wie der Name schon sagt, erzeugt er das Licht durch die Anregung von gasförmigem CO2.

Typische Eigenschaften von Lasern im Wellenlängenbereich von 10600 nm
  • - Keine gute Absorption durch Metalle
  • - Auf Grund der großen Wellenlänge und der starken Hitzeentwicklung kommt es zum Schmelzen und zu Verbrennungen.
  • - Geeignet zur Bearbeitung transparenter Objekte, wie etwa Glas und PET.
  • - Das Markieren von Oberflächen mittels Farbumschlag sowie das Entfärben von Oberflächen lässt sich mit einem CO2-Laser in der Regel nicht realisieren.

Typische Eigenschaften von Lasern im Wellenlängenbereich von 10600 nm


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Wellenlänge: 1064 nm

Wellenlänge: 1064 nm

Die infraroten Wellenlängen (“IR-Wellenlängen”) weisen die vielfältigste Eignung für die Laserbearbeitung auf. Wie der Name schon sagt, liegen die IR-Wellenlängen jenseits des roten Lichts und sind somit für das menschliche Auge unsichtbar (d. h. länger als 780 nm).

Typische Eigenschaften von Lasern im Wellenlängenbereich von 1064 nm
  • - Eine breite Palette von Bearbeitungsanwendungen, von Kunststoffen bis hin zu Metallen
  • - Ungeeignet zur Bearbeitung transparenter Objekte, wie etwa Glas, da der Laser durch derartige Objekte einfach hindurch geht.
  • - Sehr gut geeignet, um auf Kunststoffen einen Farbumschlag zu erzeugen.

Typische Eigenschaften von Lasern im Wellenlängenbereich von 1064 nm

Auch bei ein und derselben Wellenlänge hängen die genauen Eigenschaften des jeweiligen Laserstrahls vom verwendeten Oszillationsverfahren ab. Grundsätzlich erzeugen eine höhere Spitzenleistung und kürzere Impulse innerhalb kürzerer Zeit eine höhere Energie, so dass es zu weniger Hitzeschäden und Verbrennungen auf dem bearbeiteten Objekt kommt.


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Wellenlänge: 532 nm

Wellenlänge: 532 nm

Bei der Frequenzverdopplung (SHG - Second Harmonic Generation) wird eine Wellenlänge erzeugt, die halb so groß wie die typische Wellenlänge von 1064 nm ist.
532 nm liegt innerhalb des sichtbaren Spektrums und ist grün. Diese Wellenlänge lässt sich erzeugen, indem ein Strahl von 1064 nm Wellenlänge durch einen nichtlinearen Kristall geleitet wird, der eine Verdoppelung der Frequenz und somit eine Halbierung der Wellenlänge bewirkt. Normalerweise wird ein YVO4 -Medium verwendet, weil sich die Eigenschaften des Strahls gut für feinste Bearbeitungsanwendungen eignen.

Typische Eigenschaften von Lasern im Wellenlängenbereich von 532 nm
  • - Hohe Absorptionsraten bei Materialien, die auf typische IR-Wellenlängen nicht gut ansprechen, sowie bei Materialien, die Infrarotlicht reflektieren, wie etwa Gold und Kupfer.
  • - Der im Vergleich zu IR-Lasern kleinere Lichtpunkt ermöglicht feinste Bearbeitungen.
  • - Eignet sich in der Regel nicht für die Bearbeitung transparenter Objekte.
  • - Dank hoher Spitzenleistung ohne starke Hitzeentwicklung ideal geeignet für minutiöse Materialbearbeitung und feinste Muster.

Wellenlängenbereich von 532 nm

Laser-Absorptionsrate verschiedener Metalle


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Wellenlänge: 355 nm

Wellenlänge: 355 nm

Bei der Frequenzverdreifachung (THG - Third Harmonic Generation) wird eine Wellenlänge erzeugt, die ein Drittel so groß wie die typische Wellenlänge von 1064 nm ist und die in den Bereich des ultravioletten Lichts (UV) fällt. Die Grundwellenlänge wird mit einem YVO4- oder einem YAG-Laser erzeugt. Anschließend wird der Strahl durch einen nichtlinearen Kristall geleitet, der die Wellenlänge auf 532 nm verringert, und dann durch einen zweiten nichtlinearen Kristall, der die Wellenlänge erneut verringert, auf 355 nm.

Typische Eigenschaften von Lasern im Wellenlängenbereich von 355 nm
  • - UV-Licht weist bei den meisten Materialien extrem hohe Absorptionsraten auf und bewirkt keine übermäßige Hitzeentwicklung.
  • - Der äußerst kleine Lichtpunkt ermöglicht äußerst feine Bearbeitungen.
  • - Die hohe Absorptionsrate hat zur Folge, dass auch der optische Kristall angegriffen wird, so dass höhere Kosten für Verbrauchsmaterialien anfallen als bei anderen Wellenlängen.

Typische Eigenschaften von Lasern im Wellenlängenbereich von 355 nm

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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.

Atomzustand

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2. Natürliche Emission

Erregte Elektronen begeben sich, 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.

Atomzustand

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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).

 

Atomzustand

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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.

Elektronen im Zustand der Besetzungsinversion

Elektronen im Zustand der Besetzungsinversion

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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.

Elektronen im Zustand der Besetzungsinversion

Elektronen im Zustand der Besetzungsinversion

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Elemente eines Laserresonators

Die drei wesentlichen Elemente eines Laserresonators

Jeder Laserresonator besteht aus drei folgenden Hauptelementen:

Die drei wesentlichen Elemente eines Laserresonators

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Die drei wesentlichen Elemente eines Laserresonators

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