Laser E-Book

Dieter Bäuerle

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2012

Seitenzahl: 289

Beschreibung

Der erste Laser wurde bereits Anfang 1960 als LaborgerÞt gebaut. Erst in den vergangenen zwanzig Jahren ist es aber gelungen, Laser zuverl Þssiger, stabiler, kompakter und billiger zu erzeugen. Seither schreitet der Siegeszug von Lasern unaufhaltsam voran. Viele "technische Errungenschaften", insbesondere in der Produktionstechnik, basieren auf dem Einsatz von Lasern. Die Lasertechnik ist heute ein eigenstÞndiges Fachgebiet. Mit der Entwicklung langlebiger stabiler und billiger Halbleiterlaser in Kombination mit moderner Optik sowie einer leistungsfÞhigeren Elektronik und der.

Leseprobe

Contents

Author

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Vorwort

I: Grundlagen

1: Die Natur des Lichts

Was sind elektromagnetische Wellen?

Mobilfunk- und Radiosender

Lichtquanten

Das Bohr’sche Atommodell

Quantenmechanik für Fußgänger

2: Atome, Moleküle, Festkörper

Atomspektren

Moleküle, Gase

Flüssigkeiten

Kristalline Festkörper

Amorphe und semikristalline Festkörper, weiche Materie

3: Laser

Scheinwerfer- und Laserstrahlen

Aufbau

Stimulierte Emission

Prinzip des 3-Niveau-Lasers

4: Lasertypen und deren Eigenschaften

Gaslaser

Festkörperlaser

Farbstofflaser

Intensität / Energiedichte

Monochromasie

Kohärenz

Zeitliche Lokalisierung

Abbildung von Laserlicht

5: Laser-Materie-Wechselwirkungen

Photochemische und photophysikalische Prozesse

Laserinduzierte thermische Prozesse

Plasmen

Anwendungen – ein berblick

II: Unterhaltungs-, Druck- und Informationstechnologie

6: CD- und DVD-Speicher

Das Dual-Layer-Prinzip

Einmalig und wiederbeschreibbare CDs

7: Strichcode-Lesegeräte

Standard-Codierungen

Zukünftige Entwicklungen

8: Der Laserdrucker

Tonerteilchen, der Farbdruck

Laserdrucker und Tintenstrahldrucker

9: Holographie

Das Prinzip

Rekonstruktion des Bildes

Weißlichtholographie

Photographie oder Holographie?

Prägehologramme, Sicherheitsmerkmale

Computergenerierte Hologramme

Optische Speicher

Dreidimensionales Sehen

10: Telekommunikation

Komponenten für die optische Telekommunikation

Glasfasern

Vor- und Nachteile der Glasfasertechnik

Sonstige Anwendungen optischer Wellenleiter

Absorption und Streuung

Signaldegradation durch Dispersion

Wellenlängen- und Zeitmultiplexing

11: Teleportation, Quantenkryptographie

Überlagerungszustände

Verschränkung

Alice, Bob und Eve

Quantencomputer

III: Laser in der industriellen Fertigung

12: Laserschneiden

13: Fügen von Materialien

Laserschmelzkleben

Löten

Schweißen

14: Bearbeitung von Oberflächen

Laserpolieren

Härten

Oberflächenlegieren

15: Beschichtungen, Erzeugung von 3D-Strukturen

Laser-Beschichtungsverfahren

Herstellung von 3D-Strukturen

16: Mikro- und Nanotechnologie

Einspritzdüsen

Tintenstrahldrucker

Mikroreaktoren

Strukturierung dünner Filme/Schichten

Markieren/Beschriften

17: Chips und Sensoren

Optische Lithographie

Inspektion und Bearbeitung

Zukünftige Entwicklungen

Laser-Sensoren

18: Flachbildschirme

Farbbildschirme

Organische Leuchtdioden

LED-Displays

Laser-Projektion

IV: Messtechnik, Chemische Analyse, Umwelttechnik

19: Messtechnik

Entfernungs-, topographische Messungen

Geschwindigkeitsmessungen

Holographische Interferometrie

Laser-Waffen und Navigation

20: Laser-Mikro- und -Nanoskopie

Laser-Rastermikroskopie

Konfokale Mikroskope

Nanoskopie

21: Laser in der Analytik

LIBS

Gas- und Flüssigkeitssensoren

22: Lidar

V: Biotechnologie, Medizin, Kunst

23: Biophotonik

Optische Pinzette

Spektroskopische und bildgebende Verfahren

Laser-Mikrodissektion

Das Laser-Mikroskalpell

24: Augenheilkunde

Allgemeine Bemerkungen

Hinterer Augenabschnitt

Vorderer Augenabschnitt

25: Dermatologie und Chirurgie

26: Diagnostik, Herstellung von Implantaten

27: Restauration von Gebäuden und Kunstwerken

Kunstgegenstände aus Metall

Fresken, lbilder

Modelle, Gravuren

Analyse / Herkunft von Kunstgegenständen

Anhang

Glossar

Index

Autor

Prof. Dr. Dr. h.c. Dieter Bäuerle

Institut für Angewandte Physik

Johannes-Kepler-Universität Linz

Altenbergerstrasse 69

4040 Linz

Österreich

E-Mail: [email protected]

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.

© 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Der Druck von Farbbildern wurde vom österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF, Projekt L 426-N14) unterstützt.

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn diese nicht eigens als solche markiert sind.

Print ISBN 9783527408030

Epdf ISBN 978-3-527-66164-0

Epub ISBN 978-3-527-66163-3

Mobi ISBN 978-3-527-66162-6

Vorwort

Laser zählen schon längst nicht mehr zu den exotischen Lichtquellen für abgewandte Forscher in einsamen Laboratorien. In den industrialisierten Ländern hat schon fast jeder Bürger Laserstrahlen gesehen, oder zumindest davon gehört. Besonders auffallend ist vielleicht der Umstand, dass im Gegensatz zu dem Licht das von der Sonne zu uns gelangt, oder dem Licht das von einer Glühlampe ausgesandt wird, Laserlicht üauch ber große Entfernungen eng gebündelt bleibt. Viele von uns kennen dieses Phänomen vom „Laserpointer“, dem modernen „Zeigestab“. Diese gebündelte Ausbreitung und viele andere besondere Eigenschaften der Laserstrahlung sind der Grund für deren zahlreiche Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen der Technik und Informatik, der chemischen Technologie, der Biotechnologie sowie der Medizin und Kunst.

Laser sind das „Herz“ von CD- oder DVD-Playern, von Laserdruckern und den aus dem Supermarkt bekannten Laserscannern. Laserstrahlen sind aber auch ein wichtiges „Werkzeug“ in vielen Bereichen der Fertigungs- und Werkstofftechnik. Dazu zählen beispielsweise in der Autoindustrie das Schneiden und Verschweißen verformter Bleche, aber auch das Härten von Oberflächen. In der Mikromechanik, Sensorik und Aktorik werden Laser zur Herstellung, aber auch zur Feinabstimmung besonderer Eigenschaften von Bauelementen eingesetzt. In der Mikroelektronik werden wesentliche Prozessschritte unter Verwendung von Laserstrahlen durchgeführt. Laser spielen zusammen mit Glasfasern in der optischen Telekommunikation und der Computertechnik, aber auch in vielen Bereichen der Energie-, Sicherheits- und Umwelttechnik eine zentrale Rolle. In der Messtechnik verwendet man Laser als Richtstrahlen aber auch für Entfernungs-, Flächen- und Geschwindigkeitsmessungen. In vielen industriellen Bereichen werden Prozesskontrollen oder kontinuierliche chemische Analysen unter Verwendung von Laserstrahlung durchgeführt. In der Biotechnologie, der Medizin und Medizintechnik werden Laser zur Manipulation von Geweben oder einzelner Zellen, aber auch zur Aufklärung der Funktion einzelner Moleküle eingesetzt. Laser sind heute wichtige Werkzeuge in der Augenheilkunde, der Dermatologie, Chirurgie und der medizinischen Diagnostik. Selbst bei der Restauration von Ölgemälden, Freskos und sogar ganzer Gebäude werden in zunehmendem Maße Laser eingesetzt. Darüber hinaus spielen Laser in unterschiedlichsten Bereichen der Forschung eine zentrale Rolle. Was könnte diese Aussage besser belegen als die zahlreichen Nobelpreise, die für die Grundlagen und die Entwicklung von Lasern gewonnen wurden oder bei denen die Anwendung von Lasern entscheidend war ?

Was verbirgt sich überhaupt hinter dem Kunstwort LASER? Dieses Akronym steht für Light Amplification by Stimulated Emission ofüradiation. Das bedeutet soviel wie die Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission von Strahlung. Was aber versteht man unter „stimulierter Emission“ von Strahlung? Weshalb breitet sich Laserlicht als wohl-definierter Strahl aus? Weshalb kann man mit Laserlicht einerseits zentimeterdicke Stahlplatten schneiden oder miteinander verschweißen und andererseits empfindliche Augenoperationen durchführen? Was hat die Internet– und Multimediaentwicklung mit Lasern zu tun? Weshalb also sind Laser so attraktive Lichtquellen?

Das vorliegende Buch soll in einer allgemein verständlichen Art und Weise diese Fragen beantworten. Wir beginnen mit einigen grundlegenden Bemerkungen zur Natur der elektromagnetischen Strahlung und zum Aufbau der Materie. Danach werden die Wirkungsweise von Lasern beschrieben und die wesentlichen Eigenschaften von Laserlicht sowie dessen Wechselwirkung mit Materie diskutiert. Im zweiten Teil des Buches werden Anwendungen von Lasern in der Unterhaltungs-, der Druck- und Informationstechnologie beschrieben. Die Wirkung von Laserstrahlung auf unterschiedliche Materialien wird anhand gängiger Anwendungen in der industriellen Fertigung besprochen. Der vierte Teil des Buches befasst sich mit dem Einsatz von Lasern in der Messtechnik, der chemischen Analyse und der Umwelttechnik. Dazu werden das Prinzip und die Funktionsweise unterschiedlicher Geräte sowie der Aufbau von Messanordnungen erläutert. Im letzten Teil werden Anwendungen von Lasern in der Biotechnologie, der Medizin und der bildenden Kunst diskutiert.

Im Anhang und Glossar werden einige physikalische und mathematische Definitionen erläutert sowie Fachausdrücke, Begriffe und gebräuchliche Abkürzungen erklärt.

Zum Gebrauch möchte ich noch darauf hinweisen, dass man natürlich auch dieses Buch lesen kann wie einen Roman, beginnend auf Seite 1. Man kann dieses Buch aber auch selektiv lesen und beginnt einfach mit dem Themenbereich, der einen am meisten interessiert. Das ist auch der Grund, weshalb ich versucht habe, die einzelnen Kapitel als separate Blöcke zu verfassen. Falls Sie irgendwelche Begriffe oder Gedankengänge nicht verstehen, so lesen Sie einfach weiter. Zur Beruhigung möchte ich Ihnen noch sagen, dass selbst herausragende Forscher beim Studium wissenschaftlicher Literatur sehr oft den „Mut zur Lücke“ benötigen.

Zum Schluss möchte ich noch meinen Kollegen Johannes D. Pedarnig und Harald Iro für die Durchsicht des Manuskripts danken. Mein ganz besonderer Dank gilt meiner langjährigen Sekretärin, Irmengard Haslinger. Ohne ihre unerm dliche und sorgfältige Arbeit und Hilfe bei der Erstellung des Manuskripts und der Zeichnungen wäre dieses Buch nicht zustande gekommen.

Linz, September 2008

Dieter Bäuerle

I

Grundlagen

Isaac Newton (1642–1727) war überzeugt, dass Lichtquellen „Teilchen“ aussenden, Thomas Young (1773–1829) hat „bewiesen“, dass sich Licht wie eine Welle verhält. Von Albert Einstein (1879–1955) stammt die Lichtteilchen-Hypothese. Was ist nun richtig? Handelt es sich bei Licht um Teilchen oder Wellen?

Was ist so aufregend bei der Anregung von Atomen, Molekülen und Festkörpern? Was ist überhaupt ein Laser und wodurch unterscheidet sich dessen Strahl von einem Scheinwerfer? Unterschiedliche Typen gibt es auch bei Lasern – wen wundert’s also, dass deren Eigenschaften unterschiedlich sind. Laserstrahlen können einfach schön sein, sich in einem Medium ausbreiten, dieses zum Leuchten bringen – die Event- und Unterhaltungsbranche hat das längst erkannt. Aber die Wirkung kann auch ganz anders sein. Trifft intensive Laserstrahlung auf ein Medium auf, so kann es dieses zur Rotglut bringen, schmelzen, verdampfen, oder es blitzt und kracht – ähnlich wie bei einem Gewitter. Auszeichnungen und Preise gibt es für dies und das – aber für die Grundlagen und Entwicklungen von Lasern sowie deren Anwendungen, die völlig neue Forschungsgebiete eröffnet haben, wurden bereits 11 Nobelpreise verliehen – bis heute.

1

Die Natur des Lichts

Spricht man von Licht – oder von hell und dunkel – so bezieht man sich im Allgemeinen auf den Spektralbereich, den man mit dem menschlichen Auge wahrnehmen, sehen kann. In Wirklichkeit umfasst das sichtbare Licht nur einen sehr engen Bereich von Wellenlängen in dem gesamten Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Das ist in Abb. 1.1 veranschaulicht.