Laser-Grundlagen: Die wichtigsten Merkmale verstehen

Eine typische Lichtquelle sendet Licht aus, das in alle Richtungen strahlt und mit zunehmender Entfernung schwächer wird. Diese Abschwächung ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass das Licht solcher Quellen das Ergebnis einer Vielzahl von Molekülen oder Atomen innerhalb der Quelle ist, die bei spontaner Strahlung unabhängig voneinander Photonen aussenden. Im Gegensatz dazu verstärken Laser die einfallenden Photonen durch stimulierte Emission.

Aufgrund der unterschiedlichen Mechanismen, die der Erzeugung von Lasern im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen zugrunde liegen, weisen Laser einzigartige Eigenschaften auf, die mit herkömmlichem Licht nicht zu vergleichen sind und die sich im Allgemeinen unter vier Aspekten zusammenfassen lassen: Richtwirkung, Monochromatizität, Kohärenz und hohe Intensität.

Direktionalität von Lasern

Laser emittieren Licht durch stimulierte Strahlung; jedes Photon behält die gleiche Frequenz, Phase und Polarisation wie das einfallende Licht, alles unter der Kontrolle eines optischen Resonators. Diese Steuerung ermöglicht es dem Laserstrahl, sich genau entlang der Achse des Resonators mit einem sehr kleinen Divergenzwinkel auszubreiten, der dem von parallelem Licht nahe kommt.

Die hohe Richtwirkung von Lasern wird durch den Mechanismus der stimulierten Emission und den begrenzenden Einfluss des optischen Resonators auf die Richtung des schwingenden Lichtstrahls bestimmt. Genaue Daten haben gezeigt, dass ein Laserstrahl, der von der Erde zum Mond ausgesandt wird, eine Entfernung von etwa 380.000 Kilometern, auf dem Mond einen Lichtfleck mit einem Durchmesser von weniger als 1000 Metern erzeugt.

Diese hervorragende Richtwirkung hat dazu geführt, dass Laser in der Entfernungsmessung, Kommunikation und Positionierung weit verbreitet sind. Die hohe Richtwirkung von Lasern ermöglicht eine effektive Übertragung über große Entfernungen und die Fokussierung auf sehr hohe Leistungsdichten, was beides entscheidend ist für Laserbearbeitung.

Monochromatizität von Lasern

Die Farbe des Lichts wird durch seine Wellenlänge bestimmt. Die Breite zwischen den beiden Wellenlängen, bei denen die Intensität die Hälfte des Maximums beträgt, wird üblicherweise als Breite der Spektrallinie definiert. Je schmaler die Breite der Spektrallinie ist, desto besser ist die Monochromatizität des Lichts. Das sichtbare Licht besteht aus sieben Farben, die jeweils eine Spektrallinienbreite von 40 bis 50 Nanometern haben.

Die Monochromatizität von Lasern übertrifft die von gewöhnlichen Lichtquellen bei weitem. So beträgt beispielsweise die spektrale Linienbreite des von einem Helium-Neon-Laser emittierten roten Laserlichts nur 10^-8 Nanometern, was deutlich monochromatischer ist als eine Kryptonlampe. Einige Speziallaser haben eine noch höhere Monochromatizität.

Durch die extrem hohe Monochromatizität von Lasern wird die chromatische Dispersion (die Veränderung des Brechungsindex mit der Wellenlänge) von Fokussierlinsen praktisch eliminiert, so dass der Lichtstrahl präzise auf den Brennpunkt fokussiert werden kann und eine hohe Leistungsdichte erreicht wird. Die hervorragende Monochromatizität von Lasern ist ein vorteilhaftes Instrument für Präzisionsmessungen und für die Anregung bestimmter chemischer Reaktionen in wissenschaftlichen Experimenten.

Kohärenz von Lasern

Die Kohärenz beschreibt im Wesentlichen die Phasenbeziehungen zwischen verschiedenen Teilen einer Lichtwelle und umfasst zwei Aspekte: zeitliche Kohärenz und räumliche Kohärenz. Bei Lasern wird die räumliche Verteilung des Lichtfeldes normalerweise in eine Verteilung entlang der Ausbreitungsrichtung (Hohlraumachse) zerlegt E(z) und eine Verteilung auf dem Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung E(x, y).

Daher können die Moden des Laserresonators in longitudinale und transversale Moden unterteilt werden, die jeweils die longitudinalen und transversalen Lichtfeldverteilungen der Resonatormoden darstellen.

(1) Zeitliche Kohärenz

Die zeitliche Kohärenz eines Lasers bezieht sich auf die Phasenbeziehungen zwischen Punkten entlang der Ausbreitungsrichtung des Strahls. In praktischen Anwendungen wird die Kohärenzzeit häufig zur Beschreibung der zeitlichen Kohärenz eines Lasers verwendet. Je schmaler die spektrale Linienbreite, d. h. je höher die Monochromatizität, desto länger die Kohärenzzeit.

Einmoden-Gaslaser mit stabilisierter Frequenz haben die beste Monochromatizität und erreichen in der Regel 10⁶ bis 10¹³ Hz; Festkörperlaser haben eine schlechtere Monochromatizität, vor allem weil ihre Verstärkungskurve breit ist, was den Betrieb in einer einzigen longitudinalen Mode erschwert; Halbleiterlaser haben die schlechteste Monochromatizität.

Einmodenbetrieb (Modenauswahltechnologie) und Frequenzstabilisierung sind entscheidend für die Verbesserung der Kohärenz. Ein frequenzstabilisierter Single-Transversalmode-Laser emittiert Licht, das einer idealen monochromatischen ebenen Welle nahe kommt, d. h. vollständig kohärent ist.

(2) Räumliche Kohärenz

Die räumliche Kohärenz eines Lasers ist die Phasenbeziehung zwischen Punkten auf einer Ebene, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahls liegt. Sie bezieht sich auf den Bereich, in dem das vom Strahl emittierte Licht an einem Punkt im Raum konvergieren kann, um Interferenzmuster zu bilden, und die räumliche Kohärenz hängt mit der Größe der Lichtquelle zusammen.

Eine ideale ebene Welle ist räumlich vollständig kohärent und hat einen Divergenzwinkel von Null. Aufgrund von Beugungseffekten kann jedoch in der Praxis der kleinste von einem Laser erreichbare Strahlenemissionswinkel nicht kleiner sein als der Beugungsgrenzwinkel beim Durchgang durch die Ausgangsöffnung.

Um die räumliche Kohärenz eines Lasers zu verbessern, muss erstens der Laser auf einen einzigen transversalen Modus beschränkt werden, zweitens muss der Typ des optischen Resonators entsprechend ausgewählt und die Länge des Resonators vergrößert werden, um die Richtwirkung des Strahls zu verbessern. Darüber hinaus können Inhomogenitäten im aktiven Medium, Fehler bei der Bearbeitung und Einstellung des Hohlraums und andere Faktoren die Richtwirkung des Strahls beeinträchtigen.

Hohe Intensität von Lasern

Aufgrund der ausgezeichneten Richtwirkung von Laserstrahlen wird die emittierte Energie auf einen sehr engen Raumwinkel begrenzt und auf eine schmale Spektrallinienbreite konzentriert. Dies erhöht die spektrale Helligkeit von Lasern im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen erheblich. Bei gepulsten Lasern, bei denen die Energieemission in einem sehr kurzen Zeitintervall komprimiert wird, kann die spektrale Helligkeit noch weiter gesteigert werden.

Die Steigerung der Ausgangsleistung und des Wirkungsgrads ist derzeit eine wichtige Richtung in der Laserentwicklung. Gaslaser, wie z. B. CO₂können die höchste Dauerleistung erzeugen, während Festkörperlaser die höchste Pulsleistung erzeugen können.

Insbesondere durch den Einsatz von Modulationsverfahren mit optischen Resonatoren und Laserverstärkern kann die Laseroszillationszeit auf sehr kleine Werte (in der Größenordnung von 10^-9 Sekunden), und die Ausgangsenergie kann verstärkt werden, was zu einer extrem hohen Pulsleistung führt. Mit Techniken zur Modenkopplung und Pulsbreitenkompression können die Laserpulsbreiten weiter auf 10^-15 Sekunden.

Das Wichtigste, Laserleistung (Energie) in einer einzigen (oder wenigen) Moden konzentriert werden, wodurch ein sehr hoher Grad an Photonenentartung erreicht wird. Wenn ein Laserstrahl durch eine Linse fokussiert wird, kann er in der Nähe des Brennpunkts Temperaturen von mehreren tausend oder sogar zehntausend Grad Celsius erzeugen, was die Bearbeitung aller Materialien ermöglicht.

So werden beispielsweise leistungsstarke CO₂ Laserschneiden Die in der Industrie gebräuchlichen Maschinen haben Brennweiten von 127 bis 190 mm mit Brennfleckdurchmessern von 0,1 bis 0,4 mm, und ihre Energiedichte kann 10 W/cm erreichen.².