Funktionsprinzipien von Lasern

Was ist Licht?

Was wir als Licht wahrnehmen ist eine Strahlung, die aus kleinen Teilchen besteht: die Photonen. Photonen haben keine Masse und übertragen nur einen Energieimpuls. Damit Licht entsteht, braucht man eine Quelle wie eine Lampe oder die Sonne. Laser haben den gleichen physikalischen Hintergund wie Licht, nur dass man eine starke Strahlquelle benötigt. 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. Aus diesem Grund erscheint der Apfel für das menschliche Auge rot. Laser besitzen aus diesem Grund auch unterschiedliche Wellenlängen, um eine ideale Lichtabsorption und damit Bearbeitung/Beschriftung des Materials zu erreichen.
*Schwarze Objekte absorbieren sämtliche Lichtstrahlen und erscheinen daher schwarz.

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Was ist sichtbares Licht und was haben Laser damit zu tun?

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.

Das Licht von hochenergetischen Lasern kann man nicht sehen. Sie befinden sich außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums. Was nicht heißt, dass sie ungefährlich für das Auge sind - sondern im Gegenteil. Die starke Energie kann der Netzhaut oder sogar der Hornhaut massiv schädigen, und das schon mit Streustrahlung. Aus diesem Grund ist es wichtig die Augen und Haut (bei UV-Licht) fachgerecht zu schützen.

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Was ist der Unterschied zwischen normalen Licht und einem Laser?

Wie unterscheiden sich reguläre Lichtquellen (Lampen usw.) und Laser?
Laser senden 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/Wellenlängen (diese Eigenschaft nennt man Monochromatismus). Normales Licht (beispielsweise das Licht einer Glühbirne) ist in der Regel eine Mischung aus verschiedenen Farben/Wellenlängen, die kombiniert werden und zusammen 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 und erzeugen dadurch ein Interferenzmuster.

	Normales Licht	Laserstrahl
Richtcharakteristik (Lichtwellen werden in gerader Linie übertragen)	Glühbirne	Laser
Monochromatismus	Viele verschiedene Wellenlängen	Eine Wellenlänge
Kohärenz		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

Wie funktionieren Laser auf atomarer Eben? Nun, das ist einfach erklärt:

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.

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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.

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Eigenschaften der einzelnen Wellenlängen

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 Beschriften von Oberflächen mittels Farbumschlag sowie das Entfärben von Oberflächen lässt sich mit einem CO₂-Laser in der Regel nicht realisieren.

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.

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.

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.

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Elemente eines Laserresonators

Die drei wesentlichen Elemente eines Laserresonators

Jeder Laserresonator besteht aus drei folgenden Hauptelementen:

1. Lasermedium
2. Anregungsquelle
3. Verstärker

1. Lasermedium
2. Anregungsquelle

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