Faszination Laser – Funktion, Wirkweise und Anwendung

Laser erzeugen gebündeltes Licht, das wegen seiner hohen Leistungsdichte sehr energiereich ist. Die Bezeichnung Laser ist das Akronym für ‚Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation‘. Lasersysteme generieren das gebündelte Licht durch stimulierte Emission. Für die Fertigungsindustrie kommt die Einführung von Lasersystemen einer Revolutionierung wichtiger Bearbeitungsprozesse gleich. Die beeindruckende Effizienz und Präzision sowie ihre berührungslose Arbeitsweise beim Schneiden, Schweißen, Gravieren und Markieren machen Laser zu einem vielseitigen und unverzichtbaren Instrument. Längst haben Lasersysteme auch andere Einsatzbereiche wie die Medizin, die Luft- und Raumfahrt, die Elektronik und die Automobilindustrie erobert. Erfahren Sie in diesem Beitrag wissenswerte Informationen über den Aufbau, die Funktion, die Wirkweise und die Anwendung der faszinierenden Laser.

Funktion eines Lasers

Um zu verstehen, wie ein Laser funktioniert, ist es hilfreich sich mit einigen physikalischen Prinzipien vertraut zu machen. Die deutschsprachige Langfassung des Akronyms Laser lautet ‚Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung‘ und gibt bereits einige wichtige Hinweise zur Wirkweise.

Laser einfach erklärt

Laser sind eine faszinierende Technologie mit einer großen Anwendungsvielfalt in der Industrie, der Kommunikation und der Messtechnik bis hin zur Medizin. Lasersysteme sind komplex in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise. Die Abfolge der hier vereinfacht beschriebenen Schritte ermöglicht grundsätzlich die Erzeugung von Laserstrahlung. Um die Wirkungsweise des Lasers zu enträtseln, ist dabei ein genauere Betrachtung der Vorgänge auf Ebene der Atome und Photonen notwendig:

• Anregung der Atome im Lasermedium – die Pumpquelle

Atome und Moleküle von Materie befinden sich im Normalfall in einem Grundzustand, der durch ein niedriges Energieniveau charakterisiert ist. Werden diese Atome in einem sogenannten Lasermedium mit ausreichend Energie versorgt, so wechseln sie in einen angeregten Zustand, der ein höheres Energieniveau repräsentiert. Diese Versorgung mit zusätzlicher Energie erfolgt über eine sogenannte Pumpquelle. Die Pumpquelle kann beispielsweise Blitzlicht oder elektrischer Strom sein.

• Emission eines Photons durch ein angeregtes Atom

Allerdings verbleiben die Atome nicht lange in diesem angeregten Zustand, sondern fallen in der Regel wieder schnell auf das ursprüngliche niedrigere Energieniveau zurück. Dabei passiert etwas sehr Interessantes: Die durch den Wechsel vom angeregten in den Grundzustand freiwerdende Energie wird in Form eines Photons emittiert. Die Emission erfolgt in zufälliger Richtung und Phase.

• Stimulierte Emission – die zentrale Kettenreaktion

Nun kommt ein zweites, für den Laser charakteristisches Phänomen dazu: Die stimulierte Emission. Dieser Effekt findet normalerweise im sogenannten Resonator des Lasers statt. Ein Resonator hat an beiden Enden Spiegel angebracht, an denen die Photonen reflektiert werden. Die Photonen durchlaufen also dank der Reflexion das Medium mehrfach. Bei der stimulierten Emission bewirkt ein Photon, das auf ein bereits angeregtes Atom trifft, dass dieses Atom wiederum selbst ein Photon emittiert. Dieser Prozess läuft in Form einer Kettenreaktion ab und verstärkt sich exponentiell. Für den Laser ist dabei entscheidend, dass die emittierten Photonen dabei die gleiche Wellenlänge, Phase und Richtung wie das stimulierende Photon haben.

• Reflexion im Resonator und Auskopplung des Laserstrahls

An einem Ende des Resonators ist ein teildurchlässiger Spiegel angebracht, der dafür sorgt, dass das Licht als Laserstrahl austreten kann. Bei dem solchermaßen erzeugten Laserstrahl handelt es sich um gebündeltes Licht mit hoher Leistungsdichte, das kohärent und monochromatisch ist. Kohärente Lichtwellen stehen in einer festen Phasenbeziehung, d.h. die Wellenberge und Wellentäler der einzelnen Wellen sind synchron. Monochromatisches Licht ist einfarbiges Licht, das eine einzige ganz bestimmte Wellenlänge aufweist.

Drei Hauptbestandteile jedes Lasers – Lasermedium, Pumpquelle und Resonator

Betrachtet man den Aufbau eines Lasers, so setzt sich eine Laserquelle aus drei wesentlichen Komponenten zusammen. Deren Zusammenwirken ist notwendig, um einen Laserstrahl zu erzeugen:

• Lasermedium

Das Herzstück des Lasers ist das Lasermedium, oft auch als aktives Lasermedium bzw. Lasermaterial bezeichnet. Im Lasermedium findet die Lichtverstärkung statt. Die Eigenschaften des Lasermediums bestimmen die Art des erzeugten Lasers und dessen Anwendungen. Damit ein Lasermedium auch als solches wirksam werden kann, muss es spezifische Anforderungen erfüllen. Dazu gehört, dass es geeignete Energieniveaus aufweist. Das ist dann der Fall, wenn die Energieniveaus eine effiziente Besetzungsinversion und folglich eine stimulierte Emission ermöglichen. Eine Besetzungsinversion liegt dann vor, wenn mehr Atome angeregt als im Grundzustand sind. Außerdem muss das Lasermedium Energie von Pumpquellen aufnehmen können und die optische Qualität des Lasermaterials muss hochwertig sein, damit die Verluste durch Streuung oder Absorption innerhalb des Mediums minimal sind.

Lasersysteme können als Lasermedium einen Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas verwenden. Mit der Wahl des Lasermediums erfolgt die Festlegung der emittierten Wellenlänge, umgangssprachlich spricht man von der Farbe des erzeugten Laserlichts. Beispiele für Festkörperlaser sind Rubin oder Neodym-dotierte Kristalle, für Flüssigkeitslaser Farbstofflösungen und für Gaslaser ein Gasgemisch von Helium-Neon oder auch Kohlendioxid.

•     Pumpquelle

Die Pumpquelle liefert jene Energie an das Lasermedium, die notwendig ist um die atomaren bzw. molekularen Bestandteile des Mediums in einen angeregten Zustand zu versetzen. Man führt die Pumpenergie in Form von Licht, elektrischem Strom oder chemischen Reaktionen zu. Ein Beispiele für eine optische Pumpe sind Blitzlampen. Weitere Pumpquellen sind Diodenlaser und elektrischer Strom, der beispielsweise für Gaslaser zum Einsatz kommt.

• Resonator

Die auch als optischer Resonator bezeichnete Komponente setzt sich in der Regel aus zwei einander gegenüberliegenden Spiegeln zusammen. Während einer der Spiegel das Licht vollständig reflektiert, ist der andere teildurchlässig ausgeführt. Die Spiegel bewirken eine Reflexion des vom Lasermedium emittierten Lichts, sodass das Medium von den Lichtwellen immer wieder durchlaufen wird. In der Regel bewirken die hin- und her reflektierten Lichtwellen, dass weitere Atome bzw. Moleküle in einen angeregten Zustand versetzt werden. Trifft nun ein Photon auf ein bereits angeregtes Atom, so emittiert dieses ein Photon, das richtungs- und phasengleich zum auslösenden Photon ist und die gleiche Wellenlänge aufweist. Diese sogenannte stimulierte Emission führt zu einem lawinenartigen Anstieg der Photonen. Jener Teil des verstärkten Lichts, der den teildurchlässigen Spiegel passiert, steht als Laserstrahl für die eigentliche Anwendung zur Verfügung.

Diese Phänomene der Physik wirken beim Laser

Laser funktionieren auf Basis von Prinzipien der Quantenmechanik und aufgrund der Wechselwirkung von Licht und Materie. Diese Konzepte der Physik spielen beim Laser eine entscheidende Rolle:

•     Absorption: Ein Atom nimmt Energie auf und springt von einem niedrigeren auf ein höheres Energieniveau in einen sogenannten angeregten Zustand. Eine Pumpquelle liefert die dazu erforderliche Energie.
• Spontane Emission: Angeregte Atome fallen spontan in den ursprünglichen niedrigeren Energiezustand zurück. Dabei emittiert ein betreffendes Atom ein Photon. Richtung und Phase des emittierten Photons sind zufällig.
• Stimulierte Emission: Dieses Phänomen ist der ursächliche und zentrale Prozess für einen Laser. Trifft ein Photon auf ein angeregtes Atom und hat es genau jene Energie, die dem Energieunterschied der Atom-Niveaus entspricht, dann stimuliert das Photon das angeregte Atom zur Emission eines identischen Photons. Es entstehen damit zwei identische Photonen aus einem. Identisch bedeutet dabei kohärent und monochromatisch, also in gleich Phase und mit gleicher Wellenlänge.
• Besetzungsinversion: Damit die stimulierte Emission wirksam ist, müssen mehr Atome angeregt als im Grundzustand sein. Man bezeichnet diesen Zustand als Besetzungsinversion, weil im Normalfall die Atome im Grundzustand weitaus überwiegen. Eine Besetzungsinversion kann nur durch das Einwirken einer sehr starken Pumpquelle erreicht werden und ist entscheidend für die Lichtverstärkung.

Das erzeugte Laserlicht hat ganz besondere Eigenschaften. Es ist:

• Monochromatisch: Das Licht besteht aus einer einzigen Wellenlänge.
• Kohärent: Die Lichtwellen schwingen synchron in Phase.
• Kollimiert: Der gebündelte Strahl streut kaum und bleibt über große Entfernungen fokussiert.

Laser sind eine komplexe, aber überaus faszinierende Technologie, die auf grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik beruhen. Die einzigartige Technologie hat mittlerweile unzählige Anwendungen in Wissenschaft, Industrie, Technik, Medizin und in vielen anderen Bereichen.

Lasertypen und ihre charakteristischen Eigenschaften

Die Vielfalt von Lasern spiegelt sich in den verschiedenen Lasertypen wider, von denen jeder einzigartige Eigenschaften besitzt. Dazu gehören die Wellenlänge, die Ausgangsleistung, die Strahlqualität sowie die Pulsdauer. Die Eigenschaften bestimmen, ob ein Laser für eine spezifische Anwendung gut geeignet ist. Die wichtigsten Typen sind Festkörperlaser, Faserlaser, Gaslaser und Diodenlaser.

Wie der Name schon sagt, nutzen Festkörperlaser ein festes Medium als Lasermaterial. Meist handelt es sich um dotierte Kristalle oder Gläser. Festkörperlaser zeichnen sich durch ihre hohe Ausgangsleistung und ihre gute Strahlqualität aus. Mit ihnen lassen sich auch sehr kurze Pulse erzeugen. Der bekannteste Vertreter der Festkörperlaser ist der in Industrie und Medizin verbreitet eingesetzte Nd:YAG-Laser (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser).

Faserlaser wiederum nutzen eine optische Faser als Lasermedium. Faserlaser sind sehr kompakt und robust. Sie liefern eine hervorragende Strahlqualität und sind hoch effizient. Der Aufbau eines Faserlasers ist flexibel. Damit eignet sich dieser Laser-Typ ideal für die Integration in verschiedene Systeme. Faserlaser sind hervorragend für das Schneiden und Schweißen von Metallen geeignet.

Gaslaser verwenden ein Gasgemisch als Lasermedium. Mithilfe einer elektrischen Entladung wird das Medium angeregt. Der bekannteste Vertreter ist der CO₂-Laser. Er kommt wegen seiner hohen Leistung und Effizienz vielfach in der Industrie zum Schneiden, Gravieren und Schweißen zum Einsatz.

Diodenlaser sind kleiner und effizienter als die anderen Lasertypen. Sie werden auch Halbleiterlaser genannt. Diodenlaser werden in Kommunikationssystemen, optischen Datenspeichern (CD / DVD / Blu-ray) bzw. Laserdruckern verbaut. Dank ihrer kompakten Bauweise und weil es möglich ist, sie direkt elektrisch anzuregen, sind sie sehr vielseitig.

Resonatoren

Resonatoren verstärken das Licht im Lasermedium und machen eine stabile Laseremission möglich. Daher spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von Laserlicht. Beim Aufbau eines Lasers nutzt man abhängig vom Lasertyp unterschiedliche Resonatoren.

Betrachtet man die Geometrie des Spiegelaufbaus, lassen sich stabile und instabile Resonatoren unterscheiden:

• Stabile Resonatoren reflektieren den Lichtstrahl immer wieder in den Resonator selbst zurück. Dieser Typ von Resonator dient dazu, die Strahlqualität sowie die Verstärkung zu maximieren und die Verluste zu minimieren.
• Instabile Resonatoren lassen zu, dass ein Lichtstrahl nach einigen Reflexionen aus dem Aufbau entkommen kann. Man verwendet sie bei Lasern mit höheren Leistungen, um das Risiko für die Beschädigung der Reflektoren zu reduzieren.

Die gängigen Anordnungen von optischen Resonatoren mit Spiegeln sind:

• Planare Resonatoren: Zwei gegenüberliegende ebene Spiegel kommen zur Verwendung. Es handelt sich um die gebräuchlichste Form, bei der zwei parallele Spiegel das Licht hin und her reflektieren.
• Konzentrische Resonatoren: Die beiden Spiegel sind sphärisch, die Spiegelradien entsprechen jeweils der halben Resonatorlänge.
• Konfokale Resonatoren: Beide Spiegel sind sphärisch und jeweils im Fokus des anderen. Die Radien entsprechen der Resonatorlänge.
• Semikonfokale Resonatoren: Einer der Spiegel ist eben und befindet sich im Fokus des anderen, sphärischen Spiegels. Der Radius des sphärischen Spiegels ist also gleich der Resonatorlänge.

Zusätzlich werden Resonatoren auch danach unterschieden, ob sich innerhalb eine stehende Welle ausprägt oder nicht:

• Stehende Welle – Stehwellenresonatoren: Ist die optische Weglänge des Resonators ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, dann bildet sich aufgrund von Interferenz im Resonator eine stehende Welle.
• Keine stehende Welle – Ringresonatoren: Anordnungen, wie der Ringresonator, bilden keine stehende Welle aus.

Festkörper-Resonator

Das Herzstück des Festkörperlasers ist der Festkörper-Resonator, der in der Regel aus zwei hochreflektierenden Spiegeln besteht. Diese umschließen das aktive Lasermedium, meist einen dotierten Kristall bzw. Glas. Die Spiegel bewirken, dass die Photonen durch den Laserverstärker hin- und herreflektiert werden. Normalerweise ist einer der Spiegel vollreflektierend ausgeführt, der andere jedoch teildurchlässig. Der teildurchlässige Spiegel ist jene Stelle, an der ein Teil des erzeugten Lichts als Laserstrahl ausgekoppelt wird. Die Stabilität des Resonators und die Strahlqualität des Lasers werden maßgeblich durch die Qualität und die Ausrichtung der Spiegel bestimmt. Die Resonatorlänge legt die Frequenz der resonierenden Moden fest, was wiederum die genaue Wellenlänge des emittierten Lichts bestimmt. Es ist unbedingt notwendig eine stabile Emission sicherzustellen. Dafür sind eine sehr präzise Justierung und eine effiziente Kühlung unabdingbar.

Faserlaser-Resonator

Beim Faserlaser ist die optische Faser der Resonator. Damit unterscheidet sich ein Faserlaser wesentlich zu herkömmlichen Lasern, bei denen der Resonator durch separate Spiegel gebildet wird. Der Faserlaser-Resonator wird in der Regel als Faser-Bragg-Gitter an den Enden der aktiven Faser umgesetzt. Faser-Bragg-Gitter sind periodische Strukturen, die in den Kern der Faser eingeschrieben werden und als optische Interferenzfilter wirken. Filter dieses Typs reflektieren selektiv nur bestimmte Wellenlängen und wirken damit für diese Wellenlängen als Resonator. Die integrierte Bauweise des Faser-Bragg-Gitters im Kern der Faser selbst ermöglicht den Bau von sehr kompakten und robusten Faserlasern. Zudem weist die lange Faser eine hocheffiziente Wärmeableitung auf, was eine hohe Ausgangsleistung und eine ausgezeichnete Strahlqualität ermöglicht. Faserlaser sind daher ideal für anspruchsvolle Aufgaben in der Materialbearbeitung geeignet.

Scheibenlaser-Resonator

Charakteristikum des Scheibenlaser-Resonators ist das dünne, scheibenförmige Lasermedium. Dieses wird in der Regel auf eine wärmeleitende Unterlage montiert, um die freiwerdende Wärmeenergie flächig und damit sehr effektiv abzuleiten. Scheibenlaser sind oft als Hochleistungslaser dimensioniert: Das Design des Scheibenlaser-Resonators ist maßgeblich darauf ausgelegt, die durch hohe Leistungsdichte bedingten thermischen Effekte zu minimieren. Die Einkopplung des Pumplichts erfolgt in der Regel über die Rückseite der Scheibe. Der Resonator setzt sich aus einem hochreflektierenden Spiegel hinter der Scheibe und einem Auskoppelungsspiegel davor zusammen. Der Laserstrahl durchquert dabei die Scheibe mehrfach, damit er eine ausreichende Verstärkung erzielt. Scheibenlaser-Resonatoren ermöglichen hohe Leistung bei gleichzeitig exzellenter Strahlqualität. Damit sind sie eine hervorragende Wahl, wenn es um industrielle Anwendungen geht, die hohe Präzision und Leistung erfordern.

Gaslaser-Resonator

Der Gaslaser-Resonator ist in Form eines Entladungsrohrs mit zwei an den Enden des Rohrs angebrachten Spiegeln aufgebaut. Im Entladungsrohr befindet sich das Lasergasgemisch, das durch eine elektrische Entladung angeregt wird. Die angeregten Gasatome bzw. -moleküle emittieren Photonen. Diese werden zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert. Einer der Spiegel ist teildurchlässig ausgeführt, was die Auskopplung eines Teils der Laserstrahlung ermöglicht. Die Wellenlänge wird primär durch die Zusammensetzung des Gases sowie durch die Länge des Entladungsrohrs bestimmt. Einer der gängigen Vertreter der Gaslaser ist der CO₂-Laser, der für seine hohe Leistung und gute Strahlqualität bekannt ist. CO₂-Laser sind für industrielle Anwendungen wie das Schweißen und Schneiden gut geeignet.

Wirkungsweise von Lasern

Herkömmliche Lichtquellen emittieren Licht in alle Richtungen sowie mit unterschiedlichen Frequenzen und in unterschiedlichen Phasen. Laserlicht zeichnet sich im Unterschied dazu durch diese vier Eigenschaften aus, die Laserlicht einzigartig machen:

•  Kohärenz: Kohärentes Licht zeichnet sich dadurch aus, dass alle Photonen des Laserstrahls in Phase schwingen. Die Wellenberge und Wellentäler stimmen also vollständig überein. Damit ist eine hochgradig gerichtete und fokussierbare Strahlung möglich. Kohärenz ist die zentrale Qualität von Laserlicht.
• Monochromes Licht: Laserlicht ist monochrom und besteht damit aus Licht einer einzigen Wellenlänge. Ist das Licht in dem für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich, so hat das Laserlicht eine einzige Farbe. Grund dafür sind die spezifischen Energieniveaus des Lasermediums und die stimulierte Emission.
• Bündelung: Laserlicht ist hervorragend gebündelt bzw. ausgerichtet, die Streuung ist überaus gering. Grund dafür sind der optische Resonator und die stimulierte Emission. Die Bündelung bewirkt die hohe Leistungsdichte. Die Energie ist dabei selbst über große Entfernungen auf eine sehr kleine Fläche konzentriert.
• Hohe Intensität: Bündelung und Kohärenz ermöglichen Laserlicht mit enormer Intensität das sich zugleich hochpräzise einsetzen lässt. Diese hohe Intensität gepaart mit Präzision macht man sich in Bearbeitungsverfahren wie Schneiden oder Schweißen zunutze.

Ultrakurzpuls-Laser

Ultrakurzpuls-Laser (UKP-Laser) sind eine eigene Kategorie unter den Lasersystemen und emittieren extrem kurze Lichtpulse im Piko- oder Femtosekundenbereich. Solche ultrakurzen Lichtpulse mit sehr hoher Leistungsdichte benötigen eine komplexe Technik und nutzen nichtlineare Effekte der Optik. Daher unterschiedet sich der Aufbau eines Lasers für Ultrakurzpulse von einem konventionellen CW-Laser (Continuous Wave).

Die Spitzenleistung ist derartig hoch, dass eine ganz neue Form der Werkstoffbearbeitung möglich wird: Die ‚kalte Bearbeitung‘ des Werkstoffes. Physikalisch gesehen kommt es durch die energiereichen Laserpulse zu einer direkten Sublimierung des Materials, also einem direkten Phasenübergang vom Feststoff zum Plasma. Der Vorgang wird auch als ‚kalte Ablation‘ bezeichnet. Da die Pulsdauer ultrakurz ist und die Spitzenleistung sehr hoch, interagieren die Photonen mit den Elektronen des Materials sehr rasch. Es kommt zu einer direkten Ionisierung der Elektronen, die unmittelbar aus dem Material gerissen werden. Der Prozess ist so schnell, dass die Energie nicht als Wärme auf die Gitterstruktur des Materials übertragen werden kann. Die ‚kalte Ablation‘ macht eine sehr schonende und hochpräzise Materialbearbeitung möglich.

Reichweite eines Laserstrahls

Laserstrahlung ist extrem gebündelt und divergiert kaum, d.h. der Strahl breitet sich nur minimal aus. Damit kann der Laserstrahl auch über sehr große Distanzen seine Intensität beibehalten. Auch wenn ein Laser in der Theorie unendlich weit strahlt, wird in der Praxis die Reichweite durch mehrere Faktoren eingeschränkt. Die Erdatmosphäre ist dabei jener Aspekt, der die Reichweite deutlich limitiert:

• Absorption und Streuung: Die Erdatmosphäre enthält Luft in Form von Gasmolekülen, Staub sowie Wassertröpfchen. Dadurch kommt es zur Absorption sowie zur Streuung von Licht. Die Intensität des Laserstrahls nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Kurzwellige Ultraviolettstrahlung (UV) wird dabei stärker gestreut und absorbiert als langwellige Infrarotstrahlung (IR).
• Beugung: Dieser Effekt wird durch die Öffnung bewirkt, durch die der Laserstrahl austritt und ist umso stärker, je kleiner die Öffnung und je größer die Wellenlänge des Lichts ist. Bedingt durch die Beugung an der als Apertur bezeichneten Öffnung breitet sich der Laserstrahl minimal aus.
• Geräteleistung: Die Laserleistung sowie die Qualität der Laseroptik sind entscheidend für die erreichbare effektive Reichweite. Angaben zur Reichweite beziehen sich in der Regel auf jene Distanz, bei welcher sich der Strahl noch für eine spezifische Anwendung nutzen lässt.

In der Praxis erreichte Reichweiten variieren sehr stark:

•  Laserpointer: Übliche Laserpointer haben abhängig vom Umgebungslicht eine sichtbare Reichweite von einigen Hundert Metern bis zu wenigen Kilometern. Das Laserlicht von starken Laserpointern stellt bei unsachgemäßem Gebrauch insbesondere für die Augen ein großes Gesundheits- und Sicherheitsrisiko dar.
• Entfernungsmesser: Laser-basierte Messgeräte können Distanzen von wenigen Metern bis zu mehreren Kilometern präzise messen und kommen in der Bautechnik und der Geodäsie zum Einsatz.
• Laserkommunikation und LIDAR: Für die Datenübertragung sowie für LIDAR-Systeme im Bereich des autonomen Fahrens und der Vermessung haben Laser Reichweiten von einigen Hundert Metern bis zu einigen Kilometern.
• Astronomische Laser: Für die Satellitenkommunikation sind Laser im Einsatz, die Distanzen von vielen Tausend Kilometern überwinden.

Auch wenn in der Praxis die Reichweite eines Lasers endlich ist: Die überbrückbaren Entfernungen sind dennoch beeindruckend und könnten mit herkömmlichen Lichtquellen niemals erreicht werden.

Anwendungsbereiche und Risiken von Lasern

So wie jede fortschrittliche Technologie haben auch Laser spezifische Vor- und Nachteile und bergen potenzielle Risiken für Mensch und Umwelt. Dabei sind Laser zweifellos eine transformative Technologie und übertreffen in vielen Bereichen konventionelle Technologien in Präzision und Effizienz.

Medizin

So haben Laser beispielsweise die Therapiemöglichkeiten in einigen Disziplinen der Medizin geradezu revolutioniert. Dies sind einige ausgewählte Beispiele

• Chirurgie: Das Laserskalpell ermöglicht im Vergleich zu traditionellen Skalpellen deutlich präzisere Schnitte mit minimaler Blutung. Grund dafür ist, dass der Laser die Blutgefäße beim Schneiden gleichzeitig versiegelt. Mit Laserskalpell geführte Schnitte heilen schneller ab und sind einem geringeren Infektionsrisiko ausgesetzt. Gepulste Laser mit hoher Energie kommen für die Zertrümmerung von Nieren-, Harn- oder Gallensteinen zum Einsatz.
• Dermatologie: Ultrakurzpuls-Laser (UKP-Laser) kommen für die Entfernung von Tätowierungen zum Einsatz. Hauterkrankungen wie Rosacea werden gezielt und schonend behandelt. Auch die Hautkrebsbehandlung mit Laser ist eine bewährte Therapieform.
• Augenheilkunde: Sehfehler können mit Laser korrigiert werden. Die Laser-in-situ-Keratomileusis (LASIK) ist eine Augenoperation, die optische Fehlsichtigkeit präzise korrigiert. Sehhilfen wie Brillen oder Kontaktlinsen sind dann nicht mehr nötig.
• Zahnmedizin: Laser kommen zur Entfernung von Karies bzw. zur Wurzelkanalbehandlung zum Einsatz. Das Schmerzempfinden ist meist geringer als bei der Verwendung mechanischer Bohrer.

Industrie

Für die Fertigungsindustrie sind Laser mittlerweile unverzichtbar. Das gilt vor allem für Bearbeitungsverfahren wie Präzisionsschneiden, Schweißen, Gravieren und Markieren sowie Beschichten und additives Fertigen. Ein großer Vorteil von Laseranwendungen ist dabei deren berührungslose Arbeitsweise. Speziell bei der Bearbeitung empfindlicher Materialien oder in sterilen Umgebungen kann dies entscheidend sein:

• Schneiden: Laser können eine große Vielfalt an Materialien, vor allem auch Metalle, in unterschiedlichen Dicken mit hoher Geschwindigkeit und minimaler Materialverformung hochpräzise schneiden. Bei mechanischen Verfahren wie dem Fräsen oder Sägen ist dies oft nicht der Fall.
• Schweißen: Laserschweißen steht für extrem starke und saubere Verbindungen. Konventionelle Schweißmethoden können diesbezüglich in puncto Qualität und Automatisierbarkeit oft nicht mithalten.
• Markieren & Gravieren: Laser bieten im Vergleich zu chemischen Ätzverfahren eine trockene, präzisere und meist umweltfreundlichere Alternative zur Strukturierung von Materialien und kommen beispielsweise in der Mikroelektronik zum Einsatz.
• Beschichten: Laserauftragschweißen nutzt Laser, um Metallpulver auf ein Werkstück aufzuschmelzen und zu verbinden. Bauteile lassen sich damit beschichten bzw. reparieren. Auch der Aufbau neuer geometrischer Formen ist damit möglich.
• Additive Fertigung: 3D-Druck ist ein additives Verfahren, bei dem Laser Schicht für Schicht Pulvermaterialien zu komplexen Geometrien verschmelzen. Traditionelle Fertigungsmethoden wie Gießen oder Fräsen könnten dies nicht leisten.

Messtechnik

Die Messtechnik setzt Laser für die hochpräzise Vermessung von Abständen, Oberflächen und Formen ein. LIDAR-Systeme (Light Detection and Ranging) setzen eine Technologie ein, die mit Laserstrahlen die Umgebung scannt und daraus eine 3D-Darstellung erstellt. Anwendungen reichen mittlerweile bis hin zu der Erstellung eines 3D-Objektmodells auf Basis der gescannten Daten. LIDAR-Systeme werden auch für Echtzeitanwendungen eingesetzt, wie beispielsweise für autonomes Fahren. Die erreichte Genauigkeit gepaart mit der beeindruckenden Schnelligkeit beim Scan-Vorgang sind herkömmlichen Vermessungsmethoden weit überlegen.

Risiken und Nachteile

Nachteilig sind die hohen Anschaffungskosten für Laseranlagen. Speziell Hochleistungssysteme können eine erhebliche Investition darstellen. Für die Bedienung, Wartung sowie regelmäßige Kalibrierung ist spezialisiertes Personal erforderlich.

Von Laserstrahlung gehen auch Gesundheitsrisiken für uns Menschen aus. Abhängig von Leistung und Wellenlänge kann Laserstrahlung ernstliche Schäden verursachen. Das höchste Risiko besteht für die Augen: Die Linse des Auges fokussiert die Laserstrahlung. Daher kann Laserstrahlung beim Eintritt ins Auge auch bei relativ niedriger Leistungsdichte zu dauerhaften Schäden an der Netzhaut führen. Für die Arbeit mit Lasern sind daher Schutzbrillen unabdingbar. Die Haut kann durch Laserstrahlung ebenso gefährdet sein und Verbrennungen erleiden.

Da Laserstrahlung in vielen Fällen der Materialbearbeitung den Werkstoff zum Schmelzen bringt, besteht ein zusätzliches Risiko durch die Entstehung von Dämpfen und Partikeln. Diese können abhängig vom Material und der Art der Bearbeitung giftig oder krebserregend sein. Daher ist nicht nur eine entsprechende Absaugung von Dämpfen und Staub, sondern auch eine gute Belüftung unbedingt notwendig. Hochleistungslaser können darüber hinaus eine Brandgefahr darstellen, wenn der Laserstrahl unkontrolliert auf brennbares Material trifft.

Hinsichtlich der Umweltverträglichkeit haben Laser im Vergleich mit anderen Technologien sowohl Vor- als auch Nachteile. Vorteilhaft ist, dass die Bearbeitung mit Laser im Vergleich umweltfreundlicher sein kann. Das ist beispielsweise bei der Lasergravur im Vergleich zum Ätzen der Fall. Laser arbeiten außerdem in vielen Fällen so präzise, dass Nachbearbeitungsschritte in der Fertigung entfallen können. Damit können entsprechend Ressourcen eingespart werden. Nachteilig wirkt sich aus, dass für die Herstellung von Laserkomponenten häufig seltene Erden und energieintensive Prozesse benötigt werden. Hochleistungslaser können einen beträchtlichen Energieverbrauch aufweisen. Eine umweltgerechte Entsorgung von Lasergeräten muss gewährleistet sein, wenn der Lebenszyklus des Gerätes zu Ende ist. Nur so kann die Freisetzung schädlicher Substanzen vermieden werden.