Einige Fragen zum Thema „Laser-Anwendungen“
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Einige Fragen zum Thema „Laser-Anwendungen“. Inhalt:. 1. Strahleigenschaften kontinuierlicher (cw) oder gepulster (pm) Laser. 2. Stimulierte Emission. 3. Laser-Sicherheit. Zusammengestellt von Prof. Dr. Ulrich Sowada, Institut für Mechatronik, FH Kiel. Was ist ein Laser?.

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Presentation Transcript

Einige Fragen zum Thema „Laser-Anwendungen“

Inhalt:

1. Strahleigenschaften kontinuierlicher (cw)

oder gepulster (pm) Laser

2. Stimulierte Emission

3. Laser-Sicherheit

Zusammengestellt von

Prof. Dr. Ulrich Sowada, Institut für Mechatronik, FH Kiel.


Was ist ein Laser?

Strahleigenschaften

Definition:

Ein Laser ist ein Gerät zur Erzeugung von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung, in dem der Vorgang der stimulierten Emission eine wesentliche Rolle spielt.

Strahl

Gasförmiges lichtverstärkendes Medium in Kapillare, durch eine elektrische Entladung gepumpt

Dazu braucht man

(1) ein lichtverstärkendes Medium,

(2) eine dafür geeignete Energie-Versorgung und

(3) einen Resonator.

Auskoppelspiegel

Rückspiegel

Gezeigt ist ein Helium-Neon-Laser (l = 633 nm).


Wie bekommt man Energie in ein Gas?

Strahleigenschaften

Laser mit einem gasförmigen Material werden durch eine Gasentladung in den energetisch angeregten Zustand befördert.

Bei Gaslasern, deren Betriebsgas einen niedrigen Druck hat, benutzt man eine longitudinale Entladung zwischen ringförmigen Elektroden.

Für Gaslaser mit einem hohen Druck des Betriebsgases kann nur eine transversale Entladung zwischen den Elektroden angewendet werden.

Diese Art der Anregung findet man beim Helium-Neon- und beim Argon-Ionen-Laser. Der Strahl ist rotationssymmetrisch.

Auf diese Weise entsteht die Bevölkerungsinversion z. B. im Excimerlaser. Der Strahl hat rechteckige Symmetrie.


Wodurch zeichnet sich Laserstrahlung aus?

Strahleigenschaften

Laserstrahlung ist

(1.) parallel,

(2.) monochromatisch,

(3.) sie kann hohe Intensität besitzen,

und sie kann (4.) in Laserschwertern verwendet werden.

... und nun wieder ernsthaft ...


Wie parallel ist die Strahlung aus einem Laser?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Nach der erfolgten stimulierten Emission liegen zwei ununterscheidbare Photonen vor. Diese beiden Photonen haben vier Eigenschaften gemeinsam: Richtung, Wellenlänge, Phase und Polarisation. Für die Parallelität der Strahlung ist die Eigenschaft „dieselbe Richtung“ verantwortlich.

LasertypDivergenzwinkel d

HeNe 0,5 - 8 mrad (je nach Leistung)

Ar-Ionen 0,4 - 1,2 mrad

CO2 0,5 - 10 mrad

d

Excimer 3 mrad * 10 mrad (horizontal * vertikal)

Nd:YAG 10 mrad (blitzlampen-gepumpt)

1 mrad (Scheibenlaser)

Streng genommen kann kein Laser „wirklich“ paralleles Licht abgeben! (Wegen des Vorgangs der Beugung bei endlichem Strahldurchmesser)


Wodurch entsteht die hohe Divergenz des Excimerlasers?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Im Excimerlaser ist das gepulst gepumpte Volumen quaderförmig mit den Abmessungen 23 mm (Breite) * 8 mm (Höhe) * 750 mm (Länge). Innerhalb der Pulsdauer (ca. 15 ns) finden ca. 3 Umläufe (“roundtrips”) statt. Dann brauchen die Strahlen nicht parallel zur optischen Achse zu sein, um alle Umläufe im Resonator ausführen zu können.

d

Auskoppelspiegel

Rückspiegel

Gepulste Laser haben meistens keine beugungsbegrenzte Strahldivergenz.


Wie kann man ohne einen Laser geradlinig ausrichten?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Schon lange vor der Erfindung des Lasers (1960) hat man geradlinige Strahlbündel aus Licht zum Ausrichten benutzt. Diese Strahlbündel lassen sich aus einem Bündel größeren Durchmessers mit einem Axicon herstellen.

Bereich

Das Axicon ist ein stumpfwinkliger Kegel aus Glas. Auf der optischen Achse (also geradlinig) addieren sich entlang eines bestimmten Bereichs die einfallenden Strahlen zu verstärkter Sichtbarkeit (fast wie bei einem Laserschwert!!!). Mit einem Laser kann man noch viel besser ausrichten!


f‘

Wofür ist Strahlung mit geringer Divergenz nützlich?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Durch eine fehlerfreie optische Komponente (z. B. Linse) wird ein paralleles Strahlbündel in einem Punkt fokussiert (Brennpunkt). Sein Durchmesser ist gleich Null.

Durch eine fehlerfreie optische Komponente wird ein divergentes Strahlbündel (Winkel in rad: d) in einen Brennfleck fokussiert. Sein Durchmesser ist gleich D:

D = f‘ * d

Wegen der Beugung ist immer ein kleiner Divergenzwinkel d vorhanden. Linsen mit Abbildungsfehler (sphärischer Aberration) vergrößern D weiter.


Welche Probleme gibt es, wenn der Strahl in eine Faser soll?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Eine optische Faser ist gekennzeichnet durch (1) einen festen Wert für die Numerische Apertur und (2) den Kerndurchmesser. Bei gegebenem Strahlradius ist dadurch die Brennweite der Linse festgelegt.

Eine für die quantitative Strahlcharakterisierung wichtige Größe ist das Strahlparameter-Produkt aus Durchmesser und Divergenzwinkel:

2R * d (in mm * mrad)

Je kleiner der Wert für das Strahlparameter-Produkt ist, desto kleiner kann der Faserkern-Durchmesser gewählt werden, was vorteilhaft ist.


Ein Beispiel zur Faser-Einkopplung

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Beispiel:

Ein Festkörperlaser hat einen Strahldurchmesser von 6 mm und einen Wert für das Strahlparameter-Produkt von 60 mm * mrad (rotationssymmetrisch). Wie muss die Einkopplung in eine Glasfaser aussehen, wenn die Numerische Apertur der Faser 0,22 beträgt?

Der halbe Kegel-Winkel beträgt:

Die Brennweite sollte 13 mm betragen:

Wenn wir den Wert des Strahlparameter-Produkts durch a teilen, erhalten wir den kleinstmöglichen Faserdurchmesser:

Für die praktische Durchführung ist zu beachten, dass ein Laserstrahl mit z. B. einer Leistung von 1 kW an der Stirnfläche der Faser eine Leistungsdichte von ca. 106 W/cm² erreicht; das reicht zur Bearbeitung von Schmutzpartikeln aus. Die Faserflächen müssen daher dauerhaft sauber gehalten werden!


g

b

Strahlführung mit optischen Fasern?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Die Strahlung aus einer Faser ist nicht parallel, sondern divergent. Der Winkel ist durch die Numerische Apertur festgelegt. Bei Verwendung einer Sammellinse entsteht der Fleck höchster Intensität nicht im Brennpunkt, sondern im Bildpunkt (Abbildungsgleichung!).

Die Bildgröße hängt vom Abbildungsmaßstab ab, und damit auch die Bestrahlungsstärke (Leistung pro Fläche).-

Dieses muss auch bei medizinischen Anwendungen berücksichtigt werden.


Faser-geführter Laserstrahl zum Schweißen

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Aus einer kleineren Faser lässt sich die Strahlung auf einen kleineren Fleck abbilden. Daher werden für Anwendungen von optischen Fasern Laser mit geringem Strahlparameter-Produkt und die kleinstmögliche Faser angestrebt.

Die Firma Trumpf-Lasertechnik bietet eine „Quattro-Faser“ an. Jede der vier dünnen Fasern (Durchmesser 0,15 mm) wird von einem 1 kW-Scheibenlaser mit gutem Wert für das Strahlparameter-Produkt (6 mm * mrad) versorgt.

Die erzielten Schweißergebnisse sind besonders für Aluminium von bemerkenswert hoher Qualität. Dadurch wird flexibles Schweißen mit Robotern attraktiv (IFSW, Universität Stuttgart).


Nd:YAG(2)

HeNe

XeCl

Ruby

KrF

Nd:YAG

Ar-Ion

Ho:YAG

ArF

CO

CO2

Ti-Sapphire

0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2 3 5 10

Welche Wellenlängen sind durch welche Laser erreichbar?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Nd:YAG(2) heißt frequenz-verdoppelt (l = 532 nm)

Streng genommen ist kein Laser „wirklich“ monochromatisch!

Wellenlänge in mm


Wie monochromatisch ist ein Laser?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Beispiel: Ar-Ionen-Laser

Es handelt sich um einen Laser mit gasförmigem Medium (gasförmiges Argon), in dem die Lichtverstärkung durch stimulierte Emission bei 488 nm abläuft (f = c/l = 6,15 * 1014 Hz). Dieses Medium wird in den Zustand der Bevölkerungsinversion gebracht, indem man eine elektrische Entladung zündet. Dadurch entstehen im Plasma Temperaturen von 2 000 0C. Die Argon-Ionen (Atomgewicht 40) haben dann eine mittlere Geschwindigkeit v:

Durch den Doppler-Effekt ergibt sich eine Frequenzunschärfe Df (Flugrichtung vom Beobachter weg oder auf ihn zu, daher Faktor 2):

Dl

Das ist äquivalent zu einer Wellenlängenunschärfe Dl von:

l


ln/2

Welchen Einfluss hat der Resonator auf die Wellenlängen?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Was wir soeben mit Dl = 0,004 nm berechnet haben, ist nicht die Breite des Wellenlängen-Spektrums für das abgestrahlte Licht, sondern die Breite der Verstärkungsfähigkeit des lichtverstärkenden Mediums aus heißem Gas.

Im Resonator bilden sich longitudinale Lasermoden aus. Das sind optische Eigenschwingungen. Bedingung: An den Spiegeloberflächen müssen Schwingungsknoten liegen, weil für diese Moden die Verluste klein sind und sich dann stehende Wellen bilden.

L

Auskoppelspiegel

Rückspiegel

Im Resonator mit dem Spiegelabstand L haben nur diejenigen Wellenlängen ln Platz, für die ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge gleich L ist.


Welche Wellenlängen werden verstärkt?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Im Resonator der Länge L = 25 cm entspricht die Wellenlänge 488 nm einem n = 1 024 590. Wenn wie die Wellenlängen ln+1, ln und ln-1 berechnen, erhalten wir:

Eine Resonatorlänge von 25 cm ergibt also einen Abstand der longitudinalen Moden von 0,0005 nm, ein längerer Resonator einen noch kleineren Wert. Bei einer Verstärkungsbreite von 0,004 nm liegen daher viele Wellenlängen im spektralen Bereich der Verstärkung.

mögliche Wellenlängen im Resonator

Ob die Verstärkung für die Entstehung einer Lasermode ausreicht, hängt auch noch von den Verlusten im Resonator ab.

Verstärkungsprofil

l


Wieso ist die Wellenlänge des Lasers wichtig?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Bei der Materialbearbeitung von Metallen sollte der Laser eine Wellenlänge haben, die von der Oberfläche nicht gut reflektiert wird. Sonst müsste eine sehr viel höhere Leistung eingesetzt werden, um im Metall noch ausreichende Wärmewirkung zu erzielen.

Bei der Bearbeitung von Kunststoffen kann man die Wellenlänge so wählen, dass die Absorption dort geschieht, wo sie gewünscht ist.

Wenn wir Atome zur Fluoreszenz anregen wollen, muss die einfallende Strahlung genau zur Energie des atomaren Übergangs passen.

Beim Einsatz in der Interferometrie ist es hilfreich, wenn der Laser nur eine Wellenlänge aussendet (“single-mode laser”), um Schwebungen zu vermeiden.


Was versteht man unter „Intensität“?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Unter Intensität versteht man die Leistungsdichte = Leistung P pro Fläche A. Für einen Laserstrahl mit fester Querschnittsfläche A im Brennfleck ist die Leistung P als Funktion der Zeit t interessant.

P

t

Laser eingeschaltet

Man spricht von einem cw-Laser (= “continuous wave”); er ist solange „an“, bis man ihn ausschaltet.


Reicht eine Zahl für die Festlegung der „Leistung“ aus?

Strahleigenschaften

parallel

monochromatisch

hohe Intensität

Ein gepulster Laser (pm = “pulsed mode”) geht selbständig aus und muss immer wieder eingeschaltet werden. Wichtige Parameter des Strahls sind Pulsdauer tp, Pulsenergie Wp, Pulsleistung Pp und mittlere Leistung Pav. Als Pulsfolgefrequenz fp bezeichnet man 1/Dt.

Dt

P

Pp

tp

t

Es gibt Laser mit fester Pulsfolgefrequenz und andere, die auf einen Triggerpuls warten, bevor sie einen Laserpuls abgeben.


Welche Leistungen sind durch welche Laser erreichbar?

Strahleigenschaften

Laserdiode

5 mm

5 mW: CD-Spieler

10 mW: DVD

100 mW: CD-R

250 mW: Sony-Laserdiode im CD-R-Brenner

100 - 5000 W: Laser-Schneidanlagen

700 TW: NIF (national ignition facility)

Das Bild zeigt die Anlage NIF im Lawrence Livermore Laboratory, (LLNL), Californien. Parameter:

1,8 MJ in 192 Strahlen in 3,5 ns. Fertigstellung: 2010.


Mit Laser-Messtechnik immer cool bleiben ...

Strahleigenschaften

In der Messtechnik soll das bestrahlte Werkstück meistens nicht zerstört werden.-

Gezeigt: Einsatz einer Laser-Diode niedriger Leistung bei der Auslese einer compact disc (CD) oder digital versatile disc (DVD).

Anwendung von Lasern hat etwas mit intelligenter Nutzung optischer Komponenten zu tun, hier für die Drehung der Polarisationsebene um 900.


Was passiert bei der stimulierten Emission?

Stimulierte Emission

Was einen Laser in der Funktion von einer Lampe unterscheidet, sind die Strahleigenschaften. Sie werden durch den Vorgang der „stimulierten Emission“ festgelegt. Mit der Emission und Absorption von Strahlung hat sich vor 100 Jahren Max Planck (1858 - 1947) beschäftigt.

Er hatte im Jahr 1900 die Formel aufgestellt, mit der die spektrale Strahldichte L eines absolut schwarzen Körpers der Temperatur T für jede Wellenlänge l bei zwei Energieniveaus E1 und E2 berechnet werden kann (das Plancksche Strahlungsgesetz):

h = Plancksche Konstante

c = Lichtgeschwindigkeit

k = Boltzmann-Konstante

T = Temperatur

l = Wellenlänge des Lichts


Wie sieht die Kurve zum Planckschen Gesetz aus?

Stimulierte Emission

Dieses Gesetz ist in der Lage, die von einem schwarzen Körper abgestrahlte Leistung für gegebene Temperatur T für jede Wellenlänge l zu berechnen.

Die Kurve geht sowohl für kurze als auch für lange Wellenlängen asymptotisch gegen Null. Dazwischen liegt ein Maximum, das sich mit höherer Temperatur zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt. Diese Kurven waren bekannt, und Planck schuf die passende Gleichung.

Rätselhaft an dieser Gleichung sind zwei Dinge: die Konstante h (Plancksche Konstante) und die „-1“ im Nenner.


Wer hatte den entscheidenden Gedanken?

Stimulierte Emission

Dass es stimulierte Emission geben muss, hat zuerst Albert Einstein (1879 - 1955) im Jahr 1916 herausgefunden. Er hatte verstanden, was die „-1“ bedeutet.

Wir sehen ihn hier im Arbeitszimmer seiner Wohnung in Berlin (die Aufnahme entstand ca. 1920).

Links an der Wand hängt ein Bild von Isaac Newton. Einstein fühlte sich gerade ihm besonders nahe.


Wie ist Einstein auf diesen Gedanken gekommen?

Stimulierte Emission

Um diese Formel aus den physikalischen Vorgängen herzuleiten, ging Albert Einstein von drei verschiedenen Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Photonen und Atomen oder Molekülen aus.

Durch einen Vorgang wird das Atom in den angeregten Zustand E2 befördert.

1. Absorption

Energie

E2

Demgegenüber gibt es zwei Vorgänge, die für den Übergang in den Grundzustand E1 zuständig sind.

Photon

E1

2. Spontane Emission

3. Stimulierte Emission

Energie

Energie

E2

E2

E1

E1


Wie sehen die Übergangswahrscheinlichkeiten aus?

Stimulierte Emission

Aus dem Grundzustand (1) wird der angeregte Zustand (2) durch Absorption von Licht (L) bevölkert; spontane und stimulierte Emission entvölkern ihn wieder.

Die drei Differentialgleichungen für die drei Übergänge („Ratengleichungen“) lauten:

N1 = Zahl der Atome im

Energiezustand E1

N2 = Zahl der Atome im

Energiezustand E2

L = Leistungsdichte des

Lichts der geeigneten

Wellenlänge l

1. Absorption

A, B = Wahrscheinlichkeiten

des Übergangs

2. Spontane Emission

3. Stimulierte Emission


Was folgt aus der Gleichgewichtsbedingung?

Stimulierte Emission

Im thermodynamischen Gleichgewicht gehen genauso viele Atome vom Grundzustand (E1) in den angeregten Zustand (E2) wie vom angeregten in den Grundzustand über:

B1-2 = B-Koeffizient für

Anregung

A2-1 = A-Koeffizient für

spontane Emission

Gleichgewicht:

B2-1 = B-Koeffizient für

stimulierte Emission

Die Besetzung N2 des oberen Energiezustandes E2 bleibt stets kleiner als N1, die Besetzungsdichte des unteren Energiezustandes E1. Dieses folgt aus der Boltzmann-Statistik (k = Boltzmann-Konstante).

Besetzung (Boltzmann):

Leistungsdichte des Lichts:

Wenn dieses in den Ausdruck für das Gleichgewicht eingesetzt wird, können wir die Formel nach L auflösen und erhalten:


Haben wir Einstein beim Entdecken über die Schulter gesehen?

Stimulierte Emission

Wenn B2-1 gleich B1-2 ist (und nur dann) entsteht nach Division im Zähler und Nenner durch B2-1 der folgende Ausdruck (D = A2-1/B2-1):

Das hat dieselbe Form wie das Plancksche Strahlungsgesetz mit D = 2hc2/l5!!!

Vermutlich hat Einstein auf diese Weise entdeckt, welche physikalischen Grundlagen für die Form des Planckschen Gesetzes verantwortlich sind:

1. Übergänge im Atom geschehen nur zwischen festen Energieniveaus.

2. Es gibt drei Arten der Wechselwirkung zwischen Atomen und Licht,

darunter die mysteriöse stimulierte Emission.

3. Die beiden B-Koeffizienten müssen gleich sein.


1960: Der erste Laser! gesehen?

Stimulierte Emission

Der erste Laser wurde am 16. Mai 1960 durch Theodore Maiman in Betrieb genommen. Es handelte sich um einen Rubin-Laser, gepumpt durch eine spiralig gewundene Blitzlampe in einem zylindrischen Reflektor. Der Laser war nicht sehr groß.-


10 W gesehen?

1

10-1

10-2

10-3

10-4

Class II

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

400

600

800

1000

1200

13000 nm

Wie sieht es mit der Sicherheit von Lasern aus?

Sicherheit

Ein Laser, der Stahl schmelzen kann, wird auch biologisches Gewebe bearbeiten können. Das ist wichtig für die Sicherheit!

Class IV

Class III

Es gibt 4 verschiedene Sicherheitsklassen, die sich für cw-Laser noch sehr übersichtlich anordnen lassen. Die Einordnung für gepulste Laser ist schwieriger.

Quelle:

“Safety with Lasers and Other Optical Sources”, David H. Sliney, Myron L. Wolbarsht, Plenum Publishing, N. Y. (1980)

Class I


Gibt es überhaupt sichere Laser? gesehen?

Sicherheit

Die Anwesenheit von Lasern einer bestimmten Gefährdungsklasse wird durch Warnschilder, die an den Türen von außen angebracht sind, angezeigt.

Damit sich Anwender nicht gegen die Lasersicherheit sperren, muss der Eindruck vermieden werden: „Ein Laser ist nur dann sicher, wenn er keinen Strahl abgeben kann.“

Bei dieser Einstellung müsste man sonst demnächst auch das Essen mit Messer und Gabel verbieten.


In Deutschland gilt die VDE 0837, Teil 1 gesehen?

Sicherheit

Klasse 1: Die zugängliche Laserstrahlung ist unter vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen ungefährlich.

Klasse 1M: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im Wellenlängenbereich zwischen 302,5 nm bis 4000 nm. Die zugängliche Laserstrahlung ist für das Auge ungefährlich, solange der Querschnitt nicht durch optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) verkleinert wird.

Klasse 2: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich (400 - 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer (bis 0,25 s) ungefährlich, auch für das Auge. Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereichs erfüllen die Bedingungen für Klasse 1.

Klasse 2M: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich (400 - 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer (bis 0,25 s) ungefährlich, auch für das Auge, solange der Strahlquerschnitt nicht durch optische Instrumente verkleinert wird. Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereichs erfüllen die Bedingungen für Klasse 1M.


VDE 0837 Teil 1 gesehen?

Sicherheit

Klasse 3A: Die zugängliche Laserstrahlung ist für das Auge gefährlich, wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird.

Klasse 3R: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im Wellenlängenbereich zwischen 302,5 nm bis 106 nm und ist gefährlich für das Auge. Die Leistung beträgt maximal das fünffache der zulässigen Laserstrahlung der Klasse 2.

Klasse 3B: Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und häufig 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- und Explosionsgefahr verursachen.


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