Technische Optik in der Praxis

246 9 Laser
Tabelle 9.1. Vergleich der Laserstrahlung mit der Sonnenstrahlung (fokussierende
Linse: Durchmesser 4 cm, Brennweite 10 cm)
Leistung Fokusdurchmesser Leistungsdichte
Sonnenstrahlung 1 W 0,80 mm 0,002 kW/mm 2
Laserstrahlung 10000 W 0,05 mm 5000 kW/mm 2
die fast in den vollen Raumwinkel 4π sr Licht aussendet. Typische
Öffnungsraumwinkel der Laserstrahlung liegen bei 10 −8 sr.
– Intensität: Es werden Laser mit immer höheren Ausgangsleistungen entwickelt.
So werden heute z. B. CO2-Laser mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung
von 45 kW kommerziell vertrieben (Firma UTIL). Zusammen
mit der extrem guten Fokussierbarkeit der Laserstrahlung erreicht
man somit Intensitäten (= Leistung / Fläche), die von konventionellen
Lichtquellen nicht erreicht werden. Vergleicht man die Sonnenstrahlung,
die bei gutem Wetter auf eine Linse mit einem Durchmesser von 4 cm
trifft, mit der Strahlung eines 10 kW CO2-Lasers [3], dessen Strahlung
durch eine Linse mit gleichen optischen Kenndaten fokussiert wird, so erreicht
der Laser eine um den Faktor 10.000 höhere Leistung und eine um
den Faktor 2.500.000 höhere Intensität (siehe Tabelle 9.1). Das gebündelte
Sonnenlicht vermag Papier in Brand zu setzen, mit Hilfe der Laserstrahlung
lassen sich Stahlplatten von 120 mm Dicke schneiden [2].
– Pulse: Die Laserstrahlung kann in sehr kurzen Pulsen bis zu Pulsdauern
von nur 0,25 Femtosekunden (= 0,25 · 10 −15 s = 0,00000000000000025 s)
[8] erzeugt werden. Allerdings besteht ein solcher Laserpuls nur noch aus
etwa drei Wellenzügen und besitzt deshalb eine spektrale Breite von über
200 nm.
Da im gepulsten Laserbetrieb die Laserenergie in einer sehr kurzen Zeit
freigesetzt wird, ergeben sich kurzzeitig ernorm hohe Leistungen von
Mega- (10 6 W) über Giga- (10 9 W) bis Petawatt (10 15 W). Kurze Laserpulse
sind für die optische Informationsübertragung, die Untersuchung
schneller Vorgänge in Natur und Technik, die Lasermaterialbearbeitung,
das Pumpen von Röntgenlasern und für die Kernfusion von Bedeutung.
9.2 Erzeugung von Laserstrahlung
Um Laserstrahlung zu erzeugen, muß ein Medium durch Energiezufuhr
aus einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand in einen laseraktiven
Zustand überführt werden, welcher den Lasereffekt erst ermöglicht (siehe
Abb. 9.1). Dieses Medium nennt man dann ein laseraktives Medium. Es
kann ein Gas (zumeist im Plasmazustand), eine Flüssigkeit (organischer Farbstoff
in flüssiger Lösung) oder ein Festkörper (Isolator, Halbleiter, Polymer)