Einsatz und Geschichte der Laserstrahlen V
Im vorigen Teil unserer kleinen Reihe über die Laserstrahlen und ihre Möglichkeiten hatten wir einige Einzelheiten zur Beschreibung der Festkörper-Laser und der Flüssigkeits- bzw. Farbstofflaser beschrieben. Heute im letzten Teil geht es um Gaslaser und um die modernen Arten des Lasers, die sich in den meisten Geräten finden lassen. In den ersten Jahrzehnten der angewandten Lasertechnik war man davon ausgegangen, dass zur Erzeugung eines Laserstrahls ein Medium nötig sei.
In diesem Medium, also der Flüssigkeit oder dem Festkörper wie dem Rubin, besteht die Möglichkeit, eine Energie so zuzuführen, dass durch dieses “optische Pumpen” eine Besetzungsinversion erzeugt werden kann. Dabei handelt es sich um das energetische Aufladen von Atomen in einer Weise, dass sie per stimulierter Emission gleichartig strukturierte und gerichtete Photonen abgeben – die grundsätzliche Bedingung zur Erzeugung des Laserstrahls.
Gashochdruck-Laser, Halbleiter-Laser und Laser-Dioden
Neben Flüssigkeit und Festkörper funktioniert das auch mit Gasen wie beim ersten Gaslaser von 1960 mit Helium und Neon. Das Pumpen, also Aufladen der Atome erfolgt hier jedoch meist mittels elektrischer Gasentladung mit einer Stärke zwischen einem Tausendstel und 1000 Watt, je nach Gas. Das Gas wird dabei unter teils hohem Druck innerhalb eines sogenannten Gasrohrs gehalten. Die sogenannten Gashochdruck-Laser stehen dabei unter einem Gasdruck bis zu einer Million Pascal. Jedoch sind die Gaslaser relativ schwierig im Umgang und teuer im Betrieb. Neben der Weiterentwicklung der Festkörper-Laser wie dem beschriebenen Titan-Saphir-Laser, werden heute immer mehr Laser eingesetzt, die das Medium nur noch indirekt benötigen.
Die Halbleiter-Laser oder Laser-Dioden sind das Mittel der Wahl, wenn es gilt, die Laserstrahlen im täglichen Gebrauch zu nutzen.
Dabei funktionieren die Laserdioden ähnlich wie die LED, nur dass sie statt dem typischen LED-Licht Laserstrahlen erzeugen. Wie bei den anderen Laser-Medien werden auch hier Aufladungsprozesse durchgeführt, womit die stimulierte Emission in Gang gesetzt werden kann. Durch eine hohe Stromdichte wird wie bei der Leuchtdiode eine stehende Lichtwelle ausgelöst, wobei jedoch ein Gleichstrom in Durchlassrichtung der Laserdiode für einen stetigen Nachschub an Elektronen sorgt.
Sobald dieser Strom die Laserschwelle übersteigt, wird die damit stimulierte Emission zum dominierenden Prozess und der Laserstrahl wird erzeugt. Dabei entsteht aufgrund des begrenzten Wirkungsgrades jedoch auch Wärme, so dass die Überhitzungsgefahr die eigentliche Leistungsbegrenzung der Laserdioden darstellt.
Laserdioden im Alltag
Laserdioden werden für den Alltagsbetrieb, beispielsweise in CD-Spielern oder Laserprojektoren, durch einen Regelkreis gesteuert, der mit Hilfe einer Photodiode als Sensor aufrechterhalten wird. Durch den Einsatz mehrerer dieser Paarungen von Laserdiode und Photodiode parallel und mit zusätzlichen Einrichtungen zum Schutz gegen die Wärme lassen sich auch hohe Leistungen erzeugen.
Heute ist der Laser und sein Einsatz im alltäglichen Leben derart normal geworden, dass wir uns kaum noch bewusst machen, dass wir im Haushalt und bei der Arbeit von vielen Geräten umgeben sind, in denen die Laserstrahlen aktiv sind. Und das so zuverlässig, wie präzise und sicher.