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Lasertechnik




Funktionsweise von Lasern (allgemein)

'LASER' ist ein Akronym für 'light amplification by stimulated emission of radiation' also Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungs- bzw. Photonenemission. Diese Stimulation ist der wesentliche Unterschied zwischen Lasern und anderen (spontan emittierenden) Lichtquellen. Die grundlegende Funktionsweise sämtlicher Laser lässt sich relativ einfach mit dem Bohr'schen Atommodell beschreiben:

Ein Elektron des Lasermaterials springt durch Energiezufuhr von außen auf eine höhere Elektronenbahn. Dieser Vorgang wird auch als Pumpen bezeichnet.
Da der Zustand des angeregten Elektrons metastabil ist, kann der Pumpvorgang bei der Mehrzahl der Atome des Lasermaterials ablaufen - man spricht dann von einer Inversionslage.
Kommt es nun zu einer spontanen Emission innerhalb des Lasermaterials in Inversionslage, reicht die Energie eines Photons, um ein angeregtes Elektron zu destabilisieren, so dass es auf seine ursprüngliche Bahn unter Emission eines weiteren Photons zurückfällt. Diese lawinenartige Kettenreaktion nennt man stimulierte Emission.

Damit möglichst viele Atome von Photonen getroffen werden, befinden sich an den Enden des Lasermaterials hochwertige Spiegel, Resonatoren genannt. Der Reflektionsgrad des einen Resonators liegt be ca. 99,8%, der des Auskoppelresonators bei ca. 99,5%. Diese 0,5% Leistung stehen als Laserstrahl zur Verfügung, der Rest wird zur weiteren Stimulierung benötigt.


Halbleiterlaser

Diese Art von Festkörperlasern findet man typischerweise als Laserdiode in Laserpointern und simplen Fertig-Showlasern. Das Lasermaterial besteht aus einem kleinen Gallium-Arsenid-Kristall, der durch einen elektrischen Gleichstrom gepumpt wird. Die Versorgungsspannung liegt zwischen 3V und 6V. Die Vorteile dieser Laser liegen in der langen Lebensdauer, der unkomplizierten Stromversorgung, der geringen Größe und dem verhältnismäßig geringen Preis. Sie haben eine Ausgangsleistung von 0,5mW bis 1W und Wellenlängen von 635nm bis 900nm (orange/rot bis Infrarot). Ihr Nachteil liegt in der hohen Divergenz - der Punkt wird mit der Entfernung schnell größer - und dem großen Strahldurchmesser (mind. 4mm).

Laserdiode

Eine relative Neuheit bilden die sogenannten DPSS-Laser. DPSS ist eine Abkürzung für 'diode pumped solid state'. Im Wesentlichen besteht ein DPSS-Laser aus einer leistungsstarken Laserdiode, die im Infrarotbereich emittiert. Diese Laserdiode wird zum optischen Pumpen eines KTP/YAG-Kristalls (Yttrium-Aluminiumgranat) benötigt, der dann die eigentlich benötigte Wellenlänge emittiert. Außerdem sind noch ein Kollimator zur Bündelung des Laserstrahls und ein Infrarotfilter am Ausgang montiert. Es gibt rote, gelbe, grüne und blaue DPSS-Laser. Sie werden auf Grund Ihrer geringen Leistungsaufnahme, des geringen Platzbedarfes und langen Lebensdauer zunehmend im Lasershow-Bereich eingesetzt. Grüne Laser werden ca. 25 Mal heller empfunden als rote Laser derselben Ausgangsleistung. Halbleiterlaser reagieren sehr empfindlich auf Überspannung und Überhitzung. 

DPGL-Modul


Gaslaser

Diese Laser bestehen aus einem langen Glasrohr in dem sich ein Gasgemisch als Lasermaterial unter sehr geringem Druck befindet. Häufig werden Gemische aus Helium und Neon (HeNe: rot) oder Argon (Ar: blau, grün) und Krypton (ArKr: weiß) eingesetzt. Die Enden des Glasrohrs - auch Kapillare genannt - sind so beschichtet, dass sie die Resonatoren bilden. Gepumpt wird der Laser durch eine Gleichstomgasentladung (Hochspannung!) zwischen den Elektroden an den Enden der Kapillare. Gaslaser haben einen schlechteren Wirkungsgrad als Halbleiterlaser, sind größer und mechanisch auf Grund des Glases etwas empfindlicher. Auf Grund der Diffusion von Luft durch das Glas des Laserrohrs (Ausgasen), haben Gaslaser eine begrenzte Lebensdauer (unabhängig von der eigentlichen Betriebszeit).  Die Zündspannung von >8kV wird in der Regel über eine Kaskade erzeugt, die Brennspannung (>1kV) entweder auch über eine Kaskade oder ein geregeltes SMPS.



benötigte Leistungen / Sicherheit:

Klasse 2

Der Laser emittiert im sichtbaren Spektrum und ist bei einer Einwirkung von <0,25s (wird durch Lidschlussreflex eingehalten) ungefährlich für das Auge. Schwache Laserpointer fallen in diese Klasse - im Showlaserbereich sind derartige Leistungen sinnlos.

Klasse 3A

Wird der Strahl nicht durch optische Instrumente verengt und liegt er im sichtbaren Bereich, so ist seine Einwirkung bei <0,25s für das Auge ungefährlich. Starke Laserpointer fallen in diese Klasse und kleine Partyanlagen mit <5mW (z.B.: Lasercrab). Eventuell lässt sich eine Laseranlage auf DPSS-Basis dieser Klasse auf kleinen Veranstaltungen sinnvoll nutzen.

Klasse 3B

Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut. In diese Klasse fallen in der Regel alle Anlagen mit Lasern zwischen  5mW und 500mW Ausgangsleistung. Anlagen dieser Klasse dürfen nur von Laserschutzbeauftragten betrieben werden, die auch für die korrekte Installation und das Einhalten von Sicherheitsabständen zum Publikum verantwortlich sind. Der Betrieb der Anlage muss beim Gewerbeaufsichtsamt und bei der Berufsgenossenschaft angezeigt werden, die eine Prüfung durch einen Sachverständigen verlangen dürfen. (Kann man eine Unbedenklichkeitsbescheinigung vorweisen, wird jedoch üblicherweise auf eine teure Prüfung verzichtet.)

Da in der Regel Leistungen >50mW benötigt werden, ist mit einer Prüfung nach jedem Aufbau des Showlasers zu rechnen. Bei Kosten von einigen Tausend Euro pro Abnahme ist minderwertiger Ramsch aus Fernost eher wenig empfehlenswert.