Laser

Einleitung

Abk. für: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

(englisch "Lichtverstärker durch stimulierte Strahlungsemission")

molekularer Lichtverstärker zur Erzeugung extrem scharf gebündelten Lichts (mit geringer Streuung) von außerordentlich spektraler Reinheit (monochromatisch) und sehr großem Strahlungsfluss. Die Intensität und Bündelung einer durch Laser erzeugten Lichtquelle ist so groß, dass es genügt, einen Laserstrahl von wenigen Millimetern Durchmesser auf den Mond zu richten, um dort, noch deutlich erkennbar, eine Fläche von 1 m² zu beleuchten. Infolge der großen Lichtstärke pro Flächeneinheit erreicht ein Laserstrahl enorme Leistungsdichten auf kleinen Flächen und wird in der Industrie, Medizin (Augenoperationen), Nachrichten- und Vermessungstechnik angewendet.

Werkstückbearbeitung

Die Werkstückbearbeitung mit Laserstrahlen zeichnet sich im Allgemeinen durch hohe Geschwindigkeit und große Genauigkeit aus. Je nach Intensität und Einwirkungsdauer des Laserstrahls wird das Material erhitzt, geschmolzen oder verdampft. Durch Ablenken des Strahls gegenüber dem feststehenden Werkstück oder Verfahren des Werkstücks gegenüber dem Laserstrahl werden linienförmige Bearbeitungen oder die Behandlung größerer Flächen möglich. Laser haben sich vornehmlich in der Metallverarbeitung und -bearbeitung eingeführt.

Zum Bohren wird der Laser vor allem eingesetzt, wenn in schwierig zu bearbeitende Materialien kleinste und sehr genaue Löcher einzubringen sind, wie das bei Einspritz- und Drahtziehdüsen und den Kühlbohrungen in Turbinenschaufeln nötig ist. In Richtung der Strahlachse verdampft das Material, um anschließend entlang der Lochwandung ausgetrieben zu werden. Der Bohrprozess ist unabhängig von der Härte des Werkstoffs, so dass neben Metallen auch Glas, Keramik, Kunststoffe, Holz, Papier usw. mit Laser gebohrt werden können.

Bei hoher Schnittqualität und präziser Bahnführung lassen sich auch sehr komplexe Schnittformen herausarbeiten oder gerade Schnitte mit großer Geschwindigkeit ausführen.

Ritzen, Fräsen, Gravieren und Beschriften von Werkstücken laufen ähnlich ab wie das Schneiden.

Beim Schweißen liefert der Laserstrahl die Wärme zum Auf- und Verschmelzen der Materialien. Möglich sind Stumpf- und Überlappungsschweißungen. Die Form der Schweißnähte lässt sich sehr genau steuern. Beim Verschweißen unterschiedlicher Materialien kann deren Schweißbarkeit durch Zuführung von Zusatzmaterialien zum Schmelzbad verbessert werden.

Schließen die Eigenschaften von Materialien oder deren Temperaturempfindlichkeit Schweißen aus, kann mithilfe des Laserstrahls auch gelötet werden. Das Lot wird dann entweder direkt vom Laserstrahl oder durch Wärmeleitung in einem der Verbindungsteile geschmolzen.

Oberflächenbehandlung

Ein zweites großes Gebiet der Laseranwendung in der Fertigungstechnik ist die Oberflächenbehandlung. Ziel aller Verfahren ist die partielle und gezielte Veränderung der Oberflächeneigenschaften hoch beanspruchter Zonen. So werden mit der Wärme des Laserstrahls Zylinderwände, Presswerkzeuge und Walzen gehärtet. Bei Gussstücken kann das Material in Randzonen umgeschmolzen und dadurch in seiner Struktur verändert werden, dass es gewünschte Festigkeitseigenschaften annimmt. Ein thermochemisches Verfahren ist das Legieren, bei dem der Laser in Oberflächenschichten für eine intensive Durchmischung von einem schmelzflüssigen Grundwerkstoff mit Legierungselementen sorgt.

Beim Beschichten erzeugt der Laser eine metallurgische Verbindung zwischen Grund- und Zusatzwerkstoff; es entstehen reine und festhaftende Schutzschichten gegen Verschleiß oder Korrosion. Eine Sonderform des Legierens ist das Dispergieren, bei dem mithilfe der Laserenergie hochschmelzenden Materialien in Randschichten einer niedrigschmelzenden Matrix eingelagert werden. Dieses Verfahren empfiehlt sich zur Erzeugung von abriebfester Oberflächen.

Messtechnik

In einer Vielfalt von Anwendungen fand der Laser Eingang in die Messtechnik, von der exakten Messung geometrischer Größen bis hin zu Wegen, Längen und etwa auch der Wolkenhöhe über einem Flugplatz. Eingesetzt werden in der Regel so genannte Zweistrahlinterferometer. Bei diesen wird der Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die jeweils an einem Spiegel parallel versetzt reflektiert werden und sich an einem Strahlteiler wieder überlagern. Der Unterschied der zurückgelegten Wege der Teilstrahlen erzeugt dort ein Interferenzmuster, aus dem die Länge der zu bestimmenden Strecke ermittelt wird. Zur Messung von Spurengasen in der Atmosphäre wird Laserlicht mit Radiofrequenzen moduliert, die auf die gesuchten Spurenelemente abgestimmt sind und von diesen reflektiert werden. Aus den empfangenen Absorptionssignalen wird auf die Menge der atmosphärischen Spurengase geschlossen.

Im Laserkreisel, einer speziellen Anwendung der interferometrischen Wegmessung mit Laserlicht, laufen in einem geschlossenen drei- oder viereckigen Lichtkanal zwei Laserstrahlen aus der gleichen Quelle in entgegengesetzter Richtung um. An einer Stelle des Kanals werden Anteile beider Strahlen ausgekoppelt und auf eine Fotodiode gelenkt, wo sie sich überlagern. Wird der Kreisel in der Ebene des Lichtkanals gedreht, entsteht an der Diode eine Interferenz, die ein Abbild von der Drehrate des Kreisels ist.

Medizintechnik

In der Medizin hat sich die Lasertechnik mit zahlreichen therapeutischen und auch diagnostischen Verfahren eingeführt, wobei man sich außer der thermischen Wirkung auch andere Effekte des Lasers zunutze macht. Zur Routine sind mikrochirurgische Eingriffe im Auge geworden, ohne dieses zu öffnen. Durch starke Fokussierung kurzpulsiger Laserstrahlung lässt sich beispielsweise die Netzhaut in Bereichen von wenigen Zehntelmillimetern Durchmesser reparieren. Laserstrahlen werden zur Blutstillung im Körper eingesetzt. Prozesse, die die Speiseröhre, den Magen, das Rektum oder die Luftwege verengen, können unter ihrer Einwirkung gestoppt werden. Durch Verdampfen artereosklerotischer Plaques gelingt es zunehmend, mithilfe des Lasers Blutgefäße zu rekanalisierem. Die Tumorablation, das Ablösen eines Tumors von dem ihn umgebenden Gewebe, hat sich im Vergleich zu anderen Verfahren als deutlich komplikationsärmer erwiesen. Durch Umwandlung der Lichtenergie des Lasers in mechanische Energie können Harnleiter-, Gallen- und Nierensteine zertrümmert werden; gegenüber Operationen sind die Eingriffe minimal invasiv.

Erfolgreich erprobt wurde der Einsatz so genannter Fotosensibilisatoren, die von Normal- und Tumorgewebe unterschiedlich aufgenommen und für gewisse Zeiten gespeichert werden. Wird das Gewebe dabei mit Laserlicht bestrahlt, kann der Fotosensibilisator als Tumormarker die Diagnose erleichtern oder der Tumor im Verlaufe eines durch das Licht angeregten fotochemisch-toxischen Prozesses sehr selektiv zerstört werden.