Laser

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Ein Laser stellt also eine Lichtquelle mit besonderen Eigenschaften dar. Für technische Anwendungen betrachten wir die wichtigsten Merkmale:

  • Paralleles Licht (ein Laserstrahl lässt sich ideal zu einem Punkt bündeln
  • Eine Wellenlänge
  • Hohe Energiedichte der Lichtstrahlung
  • Hohe Kohärenzlänge (wichtig für Interferometrie und Messtechniken

Aufbau eines klassischen Festkörperlasers

Grundsätzlich wird im Laser ein Medium (Gas oder Festkörper) durch Energiezuführung zur Abgabe gezielter Lichtstrahlung angeregt. Diese Strahlung formt ein Spiegelsystem (Resonator) durch Mehrfachreflexion zu einem parallelen Lichtstrahl. Einer der Spiegel erlaubt einem festgelegten Anteil des Laserlichtes nach außen zu treten, so dass es nutzbar gemacht werden kann.

Das Herz des ND:YAG-Lasers ist der Kristall. Dieser hat die Eigenschaft, über kurze Zeiträume die Lichtenergie zu speichern. Steuert man die inneren Eigenschaften des Lasers über den sogenannten Güteschalter, so lässt sich der Laser zur Abgabe sehr kurzer energiereicher Lichtpulse bewegen.

Bei dem klassischen ND:YAG Festkörperlaser wird die Anregung des Laserkristalls durch eine Lichtquelle (Lampe) erreicht. Eingesetzt werden meist Krypton-Bogenlampen, wie sie in ähnlicher Bauweise in Sportplatzbeleuchtungen zu finden sind.

Diese Lampen strahlen weißes Licht (mit allen Regenbogenfarben) ab. Der Laserkristall benötigt aber für seine Arbeit nur eine bestimmte Farbe aus diesem Spektrum, um seine Resonanz anzuregen. Dies ist der Grund für den extrem schlechten Wirkungsgrad der lampengepumpten Festkörperlaser.

Um 30 Watt effektive Laserleistung zu erzeugen werden über 5000 Watt elektrische Energie eingesetzt. Dieser Überschuss an Energie wird aufwendig mit Brauchwasser oder mit starken Kältekompressoren (die ihrerseits wieder Energie verschwenden) abtransportiert.

Bedingt durch den hohen Energieumsatz müssen lampengepumpte Laser meist als sehr große Systeme aufgebaut werden. Darunter leidet oft die Strahlqualität und der Wirkungsgrad auf das Material.

Die Weiterentwicklung zum Diodengepumpten Festkörperlaser

Die Laserdiode ist ein Halbleiterelement, das ähnlich einer Leuchtdiode, Photonen aussendet. Die Laserdiode besitzt jedoch bereits alle grundsoliden Eigenschaften des Lasers.

Die Skizze 1.2 zeigt den typischen Aufbau eines diodengepumpten ND:YAG-Lasers in der Beschrifteranwendung. Benutzt man diese Diodenanordnungen zum Anregen (Pumpen) eines ND:YAG Laserkristalls, entsteht eine wirkungsvolle Symbiose.

Der mikroskopische Aufbau der Laserdioden erlaubt eine präzisere Anordnung am Laserkristall und damit einen wesentlich kompakteren Aufbau. Der Kristall wird erheblich kleiner, der Spiegelabstand kürzer, der Gesamtaufbau stabiler und leichter. Mit dem kompakteren Aufbau werden die Laserpulse kürzer und die Effektivität auf dem Material steigt. Aus diesem Grund können diodengepumpte Laser mit wenigen Watt Durchschnittsleistung die gleichen Ergebnisse erreichen, die Lampenlaser mit einem Vielfachen der Leistung erzielen.

Energiebilanz des diodengepumpten Lasers = weniger Energieverluste