Wie funktioniert ein Laser? - Mr Beam erklärt's
Was ist ein Laser?
Ein Laser (Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation") ist ein Gerät, das Licht auf eine besondere Weise erzeugt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen, die eine breite Bandbreite von Lichtwellenlängen ausstrahlen, emittiert ein Laser Licht in Form einer eng gebündelten Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge und Phase.
Was bedeutet der Begriff “Laser”?
Der Begriff “Laser” bedeutet auf Deutsch: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Der Begriff wurde erstmals 1958 von dem amerikanischen Physiker und Ingenieur Theodore H. Maiman verwendet, der den ersten funktionsfähigen Laser entwickelte.
Einleitung zur Laser-Funktionsweise
Mit einem Laser können Laserstrahlen durch elektromagnetische Wellen erzeugt werden. Sie weisen eine hohe Intensität auf und unterscheiden sich von normalen Lichtstrahlen. Der Frequenzbereich ist sehr eng, wobei der Strahl scharf gebündelt wird.
Es lassen sich extrem kurze und intensive Strahlungsimpulse mit einer exakten Wiederholungsfrequenz erzeugen. Die Laserstrahlen können folgende Bereiche des elektromagnetischen Spektrums umfassen:
- Mikrowellen
- Infrarot
- sichtbares Licht
- Ultraviolett und
- Röntgenstrahlung.
Wie funktioniert ein Laser?
Der Laser arbeitet wie ein optischer Verstärker, der konzentriertes Licht ausstrahlt. Die Energie wird entweder in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Kristall bereitgestellt. Das Licht wird an parallelen Spiegeln reflektiert, die sich an beiden Seiten des Lasers befinden. Jedes Mal, wenn das Licht das flüssige, feste oder gasförmige Medium durchläuft, wird es von den Spiegeln erneut reflektiert.
Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis alle Strahlen in eine einzige Richtung verlaufen und dadurch gebündelt werden. Einer von beiden Spiegeln ist teilweise durchlässig. So wird es möglich, dass das gebündelte Licht als Laserstrahl austritt. In diesem Laserstrahl sind alle Lichtteilchen nicht nur gleich, sondern strömen auch in die gleiche Richtung.
Welche Eigenschaften hat ein Laserstrahl?
Hohe Kohärenz und monochromatisch
Die Laserstrahlung weist drei wesentliche Eigenschaften auf, die sie von anderen Arten von Strahlung unterscheiden:
Erstens ist sie monochromatisch, das heißt, sie besteht aus nur einer einzigen Wellenlänge.
Zweitens ist die Kohärenz des Laserlichts hoch, was bedeutet, dass die Wellen des Lasers annähernd parallel zueinander verlaufen und eine hohe Phasengleichheit aufweisen.
Laserlicht ist dank seiner Eigenschaften ein nützliches Mittel zur Bearbeitung von Materialien in der modernen Welt. Dies wird durch die hohe Kohärenz des Strahls ermöglicht, die es erlaubt, die Intensität des Strahls zu erhalten und sie durch Linsen zu bündeln.
Wenn der Laserstrahl auf die Oberfläche eines Materials trifft, wird er absorbiert und erhitzt das Material. Eine Erhitzung verursacht die Reduktion des Materials entweder durch Abtragung oder Verdampfung. Daher kann eine Vielzahl von Materialien mithilfe von Laserstrahlung graviert, markiert oder geschnitten werden.
Lasertechnik - Wie ist ein Laser aufgebaut?
Jeder Laser besteht aus drei Hauptkomponenten: einer externen Pumpquelle, einem aktiven Lasermedium und einem Resonator. Die externe Pumpquelle liefert dem Laser Energie von außen.
Im Inneren des Lasers befindet sich das aktive Lasermedium, das je nach Bauart aus einer Gasmischung (CO2-Laser), einem Kristallkörper (YAG-Laser) oder Glasfasern (Faserlaser) bestehen kann. Sobald das Lasermedium von der Pumpquelle mit Energie versorgt wird, gibt es die Energie in Form von Strahlung ab.
Ein aktives Lasermedium wird in einem Resonator, bestehend aus zwei Spiegeln, einer davon halbdurchlässig, eingeschlossen. Die Verstärkung der Strahlung eines aktiven Lasermediums im Resonator wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel begrenzt, sodass nur ein bestimmter Teil dieser Strahlung nach außen gelangen kann. Die gebündelte Strahlung, die den Resonator verlässt, ist die Laserstrahlung.
Laser Funktionsweise - Atome, Energie, Photonen
Möchtest Du die Funktionsweise verstehen, sind grundlegende physikalische Kenntnisse von Nutzen. Atome werden entweder von ihrem Grundzustand oder einem anderen unteren Energieniveau in angeregte Zustände versetzt, die ein deutlich höheres Energieniveau aufweisen.
Ein Resonator, gebildet durch zwei Spiegel, enthält ein aktives Lasermedium, wobei einer der Spiegel halbdurchlässig ist. Das Ziel ist es, dass die mittlere Zerfallszeit der angeregten Zustände möglichst lang ist und die Energie gespeichert bleibt.
Ein Photon, das über auszustrahlende Energie verfügt, stimuliert das Atom so, dass es wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren kann. Nun bewegen sich zwei Photonen mit identischer Energie und Phasenlage in die gleiche Richtung. Dies wirkt wie ein Lichtverstärker. Das Photon, das in diesem Prozess neu entstanden ist, kann weitere Atome zur Ausstrahlung stimulieren, wodurch es zu einer Kettenreaktion kommt.
Was für Laser gibt?
Es gibt verschiedene Arten von Lasern, die je nach dem verwendeten aktiven Medium und der Art der Pumpquelle kategorisiert werden können. Hier sind einige der häufigsten Laserarten:
Festkörperlaser: Diese Laser setzen einen Festkörper ein, wie z.B. einen Kristall oder ein Glas, als aktives Medium und werden durch eine optische Pumpe, wie z.B. eine Blitzlampe oder eine Laserdiode, angeregt. Beispiele für Festkörperlaser sind der Nd:YAG-Laser, der Rubinlaser und der Ti:Saphir-Laser.
Gaslaser: Hier wird ein Gas als aktives Medium verwendet, wie z.B. Kohlendioxid (CO2) oder Argon. Die optische Pumpe kann elektrisch oder durch einen anderen Laser erfolgen. Gaslaser werden häufig in der Materialbearbeitung und in der Medizin eingesetzt. Beispiele für Gaslaser sind der CO2-Laser und der Argon-Ionen-Laser.
Farbstofflaser: Diese Laser nutzen flüssige Farbstoffe als aktives Medium, die durch eine optische Pumpe angeregt werden. Sie sind in der Regel sehr breitbandig und können in verschiedenen Farben emittieren. Farbstofflaser werden häufig in der Forschung und in medizinischen Anwendungen eingesetzt.
Faserlaser: Eine Faser wird als aktives Medium benutzt, die mit einer optischen Pumpe angeregt wird. Faserlaser sind sehr robust und können hohe Leistungen bei hoher Strahlenqualität erzeugen. Sie werden in der Materialbearbeitung, der Telekommunikation und in der Medizin eingesetzt.
Es gibt auch weitere Laserarten wie Halbleiterlaser (z.B. Diodenlaser, darunter fällt übrigens der Mr Beam Lasercutter), Freie-Elektronen-Laser (FEL), Chemische Sauerstoffjod-Laser (COIL) und viele weitere, die je nach Anwendung und benötigten Eigenschaften ausgewählt werden können.
Wo kann ein Laser angewendet werden?
Die Anwendungsmöglichkeiten von einem Laser sind sehr vielfältig und reichen von alltäglichen Dingen über die Medizin bis hin zur Bearbeitung verschiedener Materialien. CDs, DVDs und Blu-ray-Discs wären ohne Laser nicht denkbar. Das Gleiche gilt für das Internet. Hier wird eine schnelle, weltweite Kommunikation mittels Laserlicht erreicht, das sich in Glasfaserkabeln befindet.
In der Medizin dient der Laser diagnostischen und therapeutischen Zwecken. Er kann sehr präzise arbeiten und überall dort zielgerichtete Eingriffe vornehmen, wo das Skalpell nicht hingelangen kann.
Das ist zum Beispiel bei Eingriffen im Auge oder auf der Haut der Fall. Pigmente oder Tätowierungen lassen sich ebenfalls sehr gut mit dem Laser entfernen. Des Weiteren können mit einem Laser Daten gewonnen und übertragen werden. Das sind nur einige Beispiele, denn die Anwendungsmöglichkeiten sind noch viel breiter gefächert, wie z.B. bei der Haarentfernung.
Hochpräzises Schneiden und Gravieren mit dem Mr Beam Lasercutter
Mit den Mr Beam II dreamcut [S] und Mr Beam II dreamcut [x] Lasercuttern lassen sich verschiedene Werkstoffe sicher und präzise bearbeiten. Es handelt sich dabei unter anderem um:
- Acryl
- Latex
- Leder
- Holz
- Textilien
- eloxiertes Aluminium
- Kraftplex
- Pappe
- Filz
- Verschiedene Kunststoffe
- Stein
Des Weiteren eignet sich der Lasercutter hervorragend zur Herstellung von Formteilen in verschiedenen Größen. Die Entwicklung von Prototypen oder das Erstellen von Serien lassen sich mit einem Lasercutter ebenfalls verwirklichen. Die Laser Anwendungen sind extrem vielfältig und lassen sich für viele verschiedenen Branchen nutzen, über DIY-Projekte, Architekturmodelle oder der Einsatz von Lasern an Schulen ist einiges möglich.
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Sicherheit und Laserklasse
Laserstrahlen weisen eine unterschiedliche Intensität auf. Je größer sie ist, umso mehr Gefahren drohen.
Um die Sicherheit zu gewährleisten und passende Schutzmaßnahmen ergreifen zu können, werden die Laser in Klassen eingeteilt. Dabei weist die Laserklasse 1 die geringste Gefährdung und die Laserklasse 4 das höchste Risiko vor. In unserem Blogartikel zu „Welche Laserklassen gibt es?“ gehen wir näher auf das Thema ein.
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