Meyers Großes Taschenlexikon in 25 Bänden
Laser
I Laser ['leɪzə, engl.], Segeln: Einhandjolle, olymp. Bootsklasse; Länge 4,23 m, Breite 1,37 m, Tiefgang 0,80 m (mit Schwert), Segelfläche 7,06 m2. (Sportarten, Übersicht. Übersichten und Tabellen finden Sie im Buch)
II Laser
['leɪzə; engl. Kw. für light amplification by stimulated emission of radiation »Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission«] der, Verstärker und Generator für kohärente elektromagnet. Wellen, v. a. im sichtbaren Spektralbereich und in den an diesen angrenzenden infraroten und ultravioletten Spektralbereichen, aber auch darüber hinaus (z. B. Maser, Röntgenlaser).Wirkungsweise: Die Funktion des L. beruht auf der induzierten (stimulierten) Emission; sie kann eintreten, wenn ein angeregtes Atom oder Molekül mit einem elektromagnet. Strahlungsfeld in Wechselwirkung steht, dessen Frequenz der Energiedifferenz zw. dem angeregten und einem energetisch niedriger liegenden Zustand in dem System entspricht. Hierdurch wird ein Übergang in den niedrigeren Zustand induziert, wobei die Anregungsenergie als Photon emittiert wird. Als Voraussetzung für eine effektive Verstärkung des Strahlungsfeldes muss das höhere Niveau stärker besetzt sein als das tiefer liegende, da sonst die Schwächung der Strahlung durch Absorption (Übergang vom niederen zum höheren Zustand) größer wäre als die Verstärkung durch stimulierte Emission. Da eine derartige Besetzungsinversion in der Natur im therm. Gleichgewichtszustand nicht vorkommt, muss dem atomaren System von außen Energie (Pumpenergie) zur Umkehr der natürl. Besetzung zugeführt werden.
Wird ein laserfähiges (aktives) Medium in einen opt. Resonator eingebracht, der eine Rückkopplung der L.-Strahlung ermöglicht, so erhält man einen Oszillator (Generator) für elektromagnet. Schwingungen. Als Resonator dienen meist zwei einander gegenüberstehende ebene oder auch sphär. Spiegel, es sind aber auch Systeme mit drei oder mehr Spiegeln möglich (Ringlaser). Übertrifft die Strahlungsverstärkung im aktiven Medium die Verluste für einen Umlauf der zw. den Spiegeln hin- und herreflektierten Welle, so fängt der L. an, auf einer für das L.-Material charakterist. Wellenlänge zu schwingen, wobei sich zw. den Spiegeln ein stehendes Wellenfeld aufbaut. Wegen der gegenüber den Resonatorabmessungen kleinen Wellenlänge des Lichts werden sehr viele Resonatoreigenschwingungen (Moden) angeregt, sofern deren Zahl nicht durch selektive Verfahren (Modenselektion) reduziert wird; durch Phasenkopplung der Moden (Modensynchronisation, engl. Modelocking) können wesentlich kürzere L.-Impulse erzeugt werden. Zur Auskopplung der L.-Strahlung aus dem Resonator ist einer der Spiegel schwach durchlässig. Viele L.-Materialien können viele versch. Frequenzen verstärken (z. B. Argon, Krypton oder Kohlendioxid), andere (z. B. Lösungen organ. Farbstoffmoleküle) sogar jede Wellenlänge in einem breiten Frequenzband. Um in diesen Fällen eine monochromat. Emission auf einer gewünschten Wellenlänge zu erhalten, müssen zur Unterdrückung der anderen Wellenlängen Filter (Prismen, Gitter u. a.) in den Resonator eingesetzt werden. Bei kontinuierl. Variation der Durchlasswellenlänge des Filters lassen sich dann breite Bereiche des Spektrums lückenlos mit monochromat. L.-Strahlung überdecken.Typen: Man unterscheidet die L. nach dem aktiven Medium; verwendet werden Festkörper (Festkörper-L.), v. a. Rubinkristalle, mit Neodym dotierte Kristalle oder Gläser, Halbleiter (Halbleiterlaser) wie Gallium-Arsenid-Dioden, Flüssigkeiten (v. a. Lösungen organ. Farbstoffmoleküle, Farbstoff-L.) und Gase (Gas-L.) wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Helium-Neon-Gemische, Metalldämpfe (z. B. Cadmium) und angeregte Edelgase sowie mit diesen gebildete Moleküle (sie bilden das L.-Medium der Excimer-L., Excimer). Die Besetzungsinversion lässt sich auf versch. Weise erzeugen, z. B. bei Gas-L. durch Elektronenstoß in einer Gasentladung, bei Halbleiter-L. durch Injektion von Ladungsträgern (Elektronen, Löcher) in einen pn-Übergang oder durch die intensive Strahlung einer therm. Hochleistungslichtquelle (Blitzlampe) oder eines anderen L. (dieses opt. Pumpen wird v.a. bei Festkörper- und Flüssigkeits-L. verwendet). Chem. L. nutzen die bei chem. Reaktionen freigesetzte Energie (chem. Pumpen) zur Besetzungsinversion. Die Strahlungsverstärkung in L. an freien Elektronen (Freie-Elektronen-L., Abk. FEL; engl. Free-Electron-L.) erfolgt in einem hoch energet. Elektronenstrahl, der durch ein periodisch seine Richtung änderndes Magnetfeld geschossen wird. - Nach der Art der Strahlungsemission werden kontinuierl. (Dauerstrich-L.) bzw. diskontinuierl. L. (Impuls-, Puls-L.) unterschieden.Eigenschaften und Anwendung: L.-Strahlung hat folgende Eigenschaften: 1) Die Strahlung ist räumlich kohärent, d. h., die von verschiedenen räuml. Punkten im aktiven Material emittierten Wellenzüge haben eine feste Phasenbeziehung. Die Strahlung wird nicht in alle Raumrichtungen abgegeben, sondern ist scharf gebündelt, sodass eine exakte Fokussierung mit extrem hohen Leistungsdichten (bis zu 1014 W/cm2) möglich ist. 2) Ein L. emittiert lange fortlaufende Wellenzüge mit nur geringen Phasenschwankungen, d. h., der L.-Strahl ist zeitlich kohärent. Verbunden damit ist die hohe Monochromasie der Strahlung. Die Schwingungsfrequenz sichtbaren Lichts liegt in der Größenordnung 1015 Hz, die typ. Frequenzbandbreite des L. bei 108 bis 109 Hz. Durch Stabilisierungsmaßnahmen lässt sich die Größe der Frequenzschwankungen aber um mehrere Größenordnungen reduzieren. 3) Die in einem schmalen Wellenlängenbereich abgegebene Strahlungsleistung kann bei Puls-L., sog. Hochleistungs-L., Werte von 1010-1013 W erreichen. Die hohe elektr. Feldstärke in einem derartigen L.-Strahl hat zur Entdeckung völlig neuartiger physikal. Effekte bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie geführt (nicht lineare Optik). 4) Mit L. können ultrakurze, intensive Lichtpulse mit Pulsdauern weniger als 10—13 s erzeugt werden. - L. finden heute in fast allen Gebieten der Naturwiss., Technik und Medizin Anwendung. Sie werden u. a. zur Materialbearbeitung (Schweißen, Schneiden, Bohren von Metallen u. a.), in der Messtechnik (z. B. für Fluchtungs- und Steueraufgaben), zum Sichtbarmachen von Schwingungen mithilfe des Doppler-Effekts (Vibrometrie; z. B. im Maschinenbau und bei Musikinstrumenten), zur Längenmessung, in der medizin. Diagnostik und Therapie, der Augen- und Mikrochirurgie (L.-Koagulation, L.-Chirurgie), im Umweltschutz sowie zur opt. Informationsübertragung und -verarbeitung (optischer Speicher, Laserdrucker, opt. Wellenleiter) eingesetzt. L. sind wegen der hohen Kohärenz ihrer Strahlung hervorragende Strahlungsquellen für Holographie. - Weitere Anwendungen: Mikroskopie, Spektralanalyse, Spektroskopie, Lidar; lasergesteuerte Kernfusion (L.-Fusion), Reaktionssteuerung in der Photochemie (L.-Chemie), Isotopentrennung u. a.Geschichte: Die Theorie des L. geht auf die 1917 von A. Einstein vorausgesagte und 1928 von R. Ladenburg und H. Kopfermann in Gasen untersuchte induzierte Emission zurück. Die Anwendung des Maserprinzips auf Licht schlugen 1958 A. L. Schawlow und C. H. Townes vor, theoret. Grundlagen lieferten auch N. G. Bassow und A. M. Prochorow. T. H. Maiman konstruierte 1960 den ersten Rubin-L. Den ersten Gas-L. setzten 1961 A. Javan, W. R. Bennett und D. R. Herriott in Betrieb. 1962 wurden die ersten Halbleiter-L. entwickelt.
▣ Literatur:
Kneubühl, F. K.u. Sigrist, M. W.: L. Stuttgart 31991.
⃟ Eichler, J. u. Eichler, H.-J.: L. High-Tech mit Licht. Berlin u. a. 1995.
II Laser
['leɪzə; engl. Kw. für light amplification by stimulated emission of radiation »Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission«] der, Verstärker und Generator für kohärente elektromagnet. Wellen, v. a. im sichtbaren Spektralbereich und in den an diesen angrenzenden infraroten und ultravioletten Spektralbereichen, aber auch darüber hinaus (z. B. Maser, Röntgenlaser).Wirkungsweise: Die Funktion des L. beruht auf der induzierten (stimulierten) Emission; sie kann eintreten, wenn ein angeregtes Atom oder Molekül mit einem elektromagnet. Strahlungsfeld in Wechselwirkung steht, dessen Frequenz der Energiedifferenz zw. dem angeregten und einem energetisch niedriger liegenden Zustand in dem System entspricht. Hierdurch wird ein Übergang in den niedrigeren Zustand induziert, wobei die Anregungsenergie als Photon emittiert wird. Als Voraussetzung für eine effektive Verstärkung des Strahlungsfeldes muss das höhere Niveau stärker besetzt sein als das tiefer liegende, da sonst die Schwächung der Strahlung durch Absorption (Übergang vom niederen zum höheren Zustand) größer wäre als die Verstärkung durch stimulierte Emission. Da eine derartige Besetzungsinversion in der Natur im therm. Gleichgewichtszustand nicht vorkommt, muss dem atomaren System von außen Energie (Pumpenergie) zur Umkehr der natürl. Besetzung zugeführt werden.
Wird ein laserfähiges (aktives) Medium in einen opt. Resonator eingebracht, der eine Rückkopplung der L.-Strahlung ermöglicht, so erhält man einen Oszillator (Generator) für elektromagnet. Schwingungen. Als Resonator dienen meist zwei einander gegenüberstehende ebene oder auch sphär. Spiegel, es sind aber auch Systeme mit drei oder mehr Spiegeln möglich (Ringlaser). Übertrifft die Strahlungsverstärkung im aktiven Medium die Verluste für einen Umlauf der zw. den Spiegeln hin- und herreflektierten Welle, so fängt der L. an, auf einer für das L.-Material charakterist. Wellenlänge zu schwingen, wobei sich zw. den Spiegeln ein stehendes Wellenfeld aufbaut. Wegen der gegenüber den Resonatorabmessungen kleinen Wellenlänge des Lichts werden sehr viele Resonatoreigenschwingungen (Moden) angeregt, sofern deren Zahl nicht durch selektive Verfahren (Modenselektion) reduziert wird; durch Phasenkopplung der Moden (Modensynchronisation, engl. Modelocking) können wesentlich kürzere L.-Impulse erzeugt werden. Zur Auskopplung der L.-Strahlung aus dem Resonator ist einer der Spiegel schwach durchlässig. Viele L.-Materialien können viele versch. Frequenzen verstärken (z. B. Argon, Krypton oder Kohlendioxid), andere (z. B. Lösungen organ. Farbstoffmoleküle) sogar jede Wellenlänge in einem breiten Frequenzband. Um in diesen Fällen eine monochromat. Emission auf einer gewünschten Wellenlänge zu erhalten, müssen zur Unterdrückung der anderen Wellenlängen Filter (Prismen, Gitter u. a.) in den Resonator eingesetzt werden. Bei kontinuierl. Variation der Durchlasswellenlänge des Filters lassen sich dann breite Bereiche des Spektrums lückenlos mit monochromat. L.-Strahlung überdecken.Typen: Man unterscheidet die L. nach dem aktiven Medium; verwendet werden Festkörper (Festkörper-L.), v. a. Rubinkristalle, mit Neodym dotierte Kristalle oder Gläser, Halbleiter (Halbleiterlaser) wie Gallium-Arsenid-Dioden, Flüssigkeiten (v. a. Lösungen organ. Farbstoffmoleküle, Farbstoff-L.) und Gase (Gas-L.) wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Helium-Neon-Gemische, Metalldämpfe (z. B. Cadmium) und angeregte Edelgase sowie mit diesen gebildete Moleküle (sie bilden das L.-Medium der Excimer-L., Excimer). Die Besetzungsinversion lässt sich auf versch. Weise erzeugen, z. B. bei Gas-L. durch Elektronenstoß in einer Gasentladung, bei Halbleiter-L. durch Injektion von Ladungsträgern (Elektronen, Löcher) in einen pn-Übergang oder durch die intensive Strahlung einer therm. Hochleistungslichtquelle (Blitzlampe) oder eines anderen L. (dieses opt. Pumpen wird v.a. bei Festkörper- und Flüssigkeits-L. verwendet). Chem. L. nutzen die bei chem. Reaktionen freigesetzte Energie (chem. Pumpen) zur Besetzungsinversion. Die Strahlungsverstärkung in L. an freien Elektronen (Freie-Elektronen-L., Abk. FEL; engl. Free-Electron-L.) erfolgt in einem hoch energet. Elektronenstrahl, der durch ein periodisch seine Richtung änderndes Magnetfeld geschossen wird. - Nach der Art der Strahlungsemission werden kontinuierl. (Dauerstrich-L.) bzw. diskontinuierl. L. (Impuls-, Puls-L.) unterschieden.Eigenschaften und Anwendung: L.-Strahlung hat folgende Eigenschaften: 1) Die Strahlung ist räumlich kohärent, d. h., die von verschiedenen räuml. Punkten im aktiven Material emittierten Wellenzüge haben eine feste Phasenbeziehung. Die Strahlung wird nicht in alle Raumrichtungen abgegeben, sondern ist scharf gebündelt, sodass eine exakte Fokussierung mit extrem hohen Leistungsdichten (bis zu 1014 W/cm2) möglich ist. 2) Ein L. emittiert lange fortlaufende Wellenzüge mit nur geringen Phasenschwankungen, d. h., der L.-Strahl ist zeitlich kohärent. Verbunden damit ist die hohe Monochromasie der Strahlung. Die Schwingungsfrequenz sichtbaren Lichts liegt in der Größenordnung 1015 Hz, die typ. Frequenzbandbreite des L. bei 108 bis 109 Hz. Durch Stabilisierungsmaßnahmen lässt sich die Größe der Frequenzschwankungen aber um mehrere Größenordnungen reduzieren. 3) Die in einem schmalen Wellenlängenbereich abgegebene Strahlungsleistung kann bei Puls-L., sog. Hochleistungs-L., Werte von 1010-1013 W erreichen. Die hohe elektr. Feldstärke in einem derartigen L.-Strahl hat zur Entdeckung völlig neuartiger physikal. Effekte bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie geführt (nicht lineare Optik). 4) Mit L. können ultrakurze, intensive Lichtpulse mit Pulsdauern weniger als 10—13 s erzeugt werden. - L. finden heute in fast allen Gebieten der Naturwiss., Technik und Medizin Anwendung. Sie werden u. a. zur Materialbearbeitung (Schweißen, Schneiden, Bohren von Metallen u. a.), in der Messtechnik (z. B. für Fluchtungs- und Steueraufgaben), zum Sichtbarmachen von Schwingungen mithilfe des Doppler-Effekts (Vibrometrie; z. B. im Maschinenbau und bei Musikinstrumenten), zur Längenmessung, in der medizin. Diagnostik und Therapie, der Augen- und Mikrochirurgie (L.-Koagulation, L.-Chirurgie), im Umweltschutz sowie zur opt. Informationsübertragung und -verarbeitung (optischer Speicher, Laserdrucker, opt. Wellenleiter) eingesetzt. L. sind wegen der hohen Kohärenz ihrer Strahlung hervorragende Strahlungsquellen für Holographie. - Weitere Anwendungen: Mikroskopie, Spektralanalyse, Spektroskopie, Lidar; lasergesteuerte Kernfusion (L.-Fusion), Reaktionssteuerung in der Photochemie (L.-Chemie), Isotopentrennung u. a.Geschichte: Die Theorie des L. geht auf die 1917 von A. Einstein vorausgesagte und 1928 von R. Ladenburg und H. Kopfermann in Gasen untersuchte induzierte Emission zurück. Die Anwendung des Maserprinzips auf Licht schlugen 1958 A. L. Schawlow und C. H. Townes vor, theoret. Grundlagen lieferten auch N. G. Bassow und A. M. Prochorow. T. H. Maiman konstruierte 1960 den ersten Rubin-L. Den ersten Gas-L. setzten 1961 A. Javan, W. R. Bennett und D. R. Herriott in Betrieb. 1962 wurden die ersten Halbleiter-L. entwickelt.
▣ Literatur:
Kneubühl, F. K.u. Sigrist, M. W.: L. Stuttgart 31991.
⃟ Eichler, J. u. Eichler, H.-J.: L. High-Tech mit Licht. Berlin u. a. 1995.