SicherheitStimulierte EmissionStrahleigenschaften 1von 33 Einige Fragen zum Thema Laser-Anwendungen 1. Strahleigenschaften kontinuierlicher (cw) oder gepulster

SicherheitStimulierte EmissionStrahleigenschaften

1 von 33 Einige Fragen zum Thema „Laser-Anwendungen“

1. Strahleigenschaften kontinuierlicher (cw) oder gepulster (pm) Laser

2. Stimulierte Emission

3. Laser-Sicherheit

Inhalt:

Zusammengestellt von Prof. Dr. Ulrich Sowada, Institut für Mechatronik, FH Kiel.


2 von 33 Was ist ein Laser?

Definition:

Ein Laser ist ein Gerät zur Erzeugung von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung, in dem der Vorgang der stimulierten Emission eine wesentliche Rolle spielt.

Dazu braucht man (1) ein lichtverstärkendes Medium, (2) eine dafür geeignete Energie-Versorgung und (3) einen Resonator.

Gezeigt ist ein Helium-Neon-Laser ( = 633 nm).

Gasförmiges lichtverstärkendes Medium in Kapillare, durch eine elektrische Entladung gepumpt

Rückspiegel

Auskoppelspiegel

Strahl

Strahleigenschaften


3 von 33 Wie bekommt man Energie in ein Gas?

Laser mit einem gasförmigen Material werden durch eine Gasentladung in den energetisch angeregten Zustand befördert.

Bei Gaslasern, deren Betriebsgas einen niedrigen Druck hat, benutzt man eine longitudinale Entladung zwischen ringförmigen Elektroden.

Diese Art der Anregung findet man beim Helium-Neon- und beim Argon-Ionen-Laser. Der Strahl ist rotationssymmetrisch.

Strahleigenschaften

Für Gaslaser mit einem hohen Druck des Betriebsgases kann nur eine transversale Entladung zwischen den Elektroden angewendet werden.

Auf diese Weise entsteht die Bevölkerungsinversion z. B. im Excimerlaser. Der Strahl hat rechteckige Symmetrie.


4 von 33

Laserstrahlung ist

... und nun wieder ernsthaft ...

Wodurch zeichnet sich Laserstrahlung aus?

(1.) parallel,

(2.) monochromatisch,

(3.) sie kann hohe Intensität besitzen,

und sie kann (4.) in Laserschwertern verwendet werden.

Strahleigenschaften


5 von 33 Wie parallel ist die Strahlung aus einem Laser?

Streng genommen kann kein Laser „wirklich“ paralleles Licht abgeben! (Wegen des Vorgangs der Beugung bei endlichem Strahldurchmesser)

Lasertyp Divergenzwinkel

parallel monochromatisch hohe Intensität

Nach der erfolgten stimulierten Emission liegen zwei ununterscheidbare Photonen vor. Diese beiden Photonen haben vier Eigenschaften gemeinsam: Richtung, Wellenlänge, Phase und Polarisation. Für die Parallelität der Strahlung ist die Eigenschaft „dieselbe Richtung“ verantwortlich.

HeNe 0,5 - 8 mrad (je nach Leistung)

Ar-Ionen 0,4 - 1,2 mrad

CO2 0,5 - 10 mrad

Excimer 3 mrad * 10 mrad (horizontal * vertikal)

Nd:YAG 10 mrad (blitzlampen-gepumpt) 1 mrad (Scheibenlaser)

Strahleigenschaften


6 von 33 Wodurch entsteht die hohe Divergenz des Excimerlasers?

Gepulste Laser haben meistens keine beugungsbegrenzte Strahldivergenz.


Im Excimerlaser ist das gepulst gepumpte Volumen quaderförmig mit den Abmessungen 23 mm (Breite) * 8 mm (Höhe) * 750 mm (Länge). Innerhalb der Pulsdauer (ca. 15 ns) finden ca. 3 Umläufe (“roundtrips”) statt. Dann brauchen die Strahlen nicht parallel zur optischen Achse zu sein, um alle Umläufe im Resonator ausführen zu können.

Rückspiegel Auskoppelspiegelmradmm

mm10

750

3/23

Strahleigenschaften


7 von 33 Wie kann man ohne einen Laser geradlinig ausrichten?


Schon lange vor der Erfindung des Lasers (1960) hat man geradlinige Strahlbündel aus Licht zum Ausrichten benutzt. Diese Strahlbündel lassen sich aus einem Bündel größeren Durchmessers mit einem Axicon herstellen.

Das Axicon ist ein stumpfwinkliger Kegel aus Glas. Auf der optischen Achse (also geradlinig) addieren sich entlang eines bestimmten Bereichs die einfallenden Strahlen zu verstärkter Sichtbarkeit (fast wie bei einem Laserschwert!!!). Mit einem Laser kann man noch viel besser ausrichten!

Bereich

Strahleigenschaften


8 von 33 Wofür ist Strahlung mit geringer Divergenz nützlich?

Durch eine fehlerfreie optische Komponente (z. B. Linse) wird ein paralleles Strahlbündel in einem Punkt fokussiert (Brennpunkt). Sein Durchmesser ist gleich Null.

Durch eine fehlerfreie optische Komponente wird ein divergentes Strahlbündel (Winkel in rad: ) in einen Brennfleck fokussiert. Sein Durchmesser ist gleich D:

D = f‘ *


Wegen der Beugung ist immer ein kleiner Divergenzwinkel vorhanden. Linsen mit Abbildungsfehler (sphärischer Aberration) vergrößern D weiter.

Strahleigenschaften

f‘


9 von 33 Welche Probleme gibt es, wenn der Strahl in eine Faser soll?

Eine optische Faser ist gekennzeichnet durch (1) einen festen Wert für die Numerische Apertur und (2) den Kerndurchmesser. Bei gegebenem Strahlradius ist dadurch die Brennweite der Linse festgelegt.

Eine für die quantitative Strahlcharakterisierung wichtige Größe ist das Strahlparameter-Produkt aus Durchmesser und Divergenzwinkel:

2R * (in mm * mrad)


Je kleiner der Wert für das Strahlparameter-Produkt ist, desto kleiner kann der Faserkern-Durchmesser gewählt werden, was vorteilhaft ist.

Strahleigenschaften


10 von 33 Ein Beispiel zur Faser-Einkopplung

Beispiel:

Ein Festkörperlaser hat einen Strahldurchmesser von 6 mm und einen Wert für das Strahlparameter-Produkt von 60 mm * mrad (rotationssymmetrisch). Wie muss die Einkopplung in eine Glasfaser aussehen, wenn die Numerische Apertur der Faser 0,22 beträgt?

Der halbe Kegel-Winkel beträgt:

Wenn wir den Wert des Strahlparameter-Produkts durch teilen, erhalten wir den kleinstmöglichen Faserdurchmesser:


Für die praktische Durchführung ist zu beachten, dass ein Laserstrahl mit z. B. einer Leistung von 1 kW an der Stirnfläche der Faser eine Leistungsdichte von ca. 106 W/cm² erreicht; das reicht zur Bearbeitung von Schmutzpartikeln aus. Die Faserflächen müssen daher dauerhaft sauber gehalten werden!

rad22,07,12)22,0arcsin( 0

mmmrad

mradmmd 3,0

220

*60

Die Brennweite sollte 13 mm betragen: mmmmR

f 1323,0

3

tan'

Strahleigenschaften


11 von 33 Strahlführung mit optischen Fasern?

Die Strahlung aus einer Faser ist nicht parallel, sondern divergent. Der Winkel ist durch die Numerische Apertur festgelegt. Bei Verwendung einer Sammellinse entsteht der Fleck höchster Intensität nicht im Brennpunkt, sondern im Bildpunkt (Abbildungsgleichung!).


g b

Die Bildgröße hängt vom Abbildungsmaßstab ab, und damit auch die Bestrahlungsstärke (Leistung pro Fläche).-

Dieses muss auch bei medizinischen Anwendungen berücksichtigt werden.

Strahleigenschaften


12 von 33 Faser-geführter Laserstrahl zum Schweißen

Aus einer kleineren Faser lässt sich die Strahlung auf einen kleineren Fleck abbilden. Daher werden für Anwendungen von optischen Fasern Laser mit geringem Strahlparameter-Produkt und die kleinstmögliche Faser angestrebt.


Die Firma Trumpf-Lasertechnik bietet eine „Quattro-Faser“ an. Jede der vier dünnen Fasern (Durchmesser 0,15 mm) wird von einem 1 kW-Scheibenlaser mit gutem Wert für das Strahlparameter-Produkt (6 mm * mrad) versorgt.

Die erzielten Schweißergebnisse sind besonders für Aluminium von bemerkenswert hoher Qualität. Dadurch wird flexibles Schweißen mit Robotern attraktiv (IFSW, Universität Stuttgart).

Strahleigenschaften


13 von 33 Welche Wellenlängen sind durch welche Laser erreichbar?

Wellenlänge in m

0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2 3 5 10

HeNe

Ruby

Nd:YAG

Ho:YAG

CO CO2Ti-Sapphire

Ar-Ion

XeCl

KrF

ArF

Nd:YAG(2)

Streng genommen ist kein Laser „wirklich“ monochromatisch!


Nd:YAG(2) heißt frequenz-verdoppelt ( = 532 nm)

Strahleigenschaften


14 von 33 Wie monochromatisch ist ein Laser?


Beispiel: Ar-Ionen-Laser

Es handelt sich um einen Laser mit gasförmigem Medium (gasförmiges Argon), in dem die Lichtverstärkung durch stimulierte Emission bei 488 nm abläuft (f = c/ = 6,15 * 1014 Hz). Dieses Medium wird in den Zustand der Bevölkerungsinversion gebracht, indem man eine elektrische Entladung zündet. Dadurch entstehen im Plasma Temperaturen von 2 000 0C. Die Argon-Ionen (Atomgewicht 40) haben dann eine mittlere Geschwindigkeit v:

s

m

kg

KKJ

M

Tkv

Ar

120010*7,6

2300*/10*38,1*3**326

23

Durch den Doppler-Effekt ergibt sich eine Frequenzunschärfe f (Flugrichtung vom Beobachter weg oder auf ihn zu, daher Faktor 2):

Das ist äquivalent zu einer Wellenlängenunschärfe von:

nmc

v004,0

2*

HzHzc

vff 9

814 10*5

10*3

1200*2*10*15,6

2*

Strahleigenschaften


15 von 33 Welchen Einfluss hat der Resonator auf die Wellenlängen?


Was wir soeben mit = 0,004 nm berechnet haben, ist nicht die Breite des Wellenlängen-Spektrums für das abgestrahlte Licht, sondern die Breite der Verstärkungsfähigkeit des lichtverstärkenden Mediums aus heißem Gas.

Im Resonator bilden sich longitudinale Lasermoden aus. Das sind optische Eigenschwingungen. Bedingung: An den Spiegeloberflächen müssen Schwingungsknoten liegen, weil für diese Moden die Verluste klein sind und sich dann stehende Wellen bilden.

Rückspiegel Auskoppelspiegel

Im Resonator mit dem Spiegelabstand L haben nur diejenigen Wellenlängen n Platz, für die ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge gleich L ist.

L

,...3,2,12

*

n

nL n

n/2

Strahleigenschaften


16 von 33 Welche Wellenlängen werden verstärkt?


Im Resonator der Länge L = 25 cm entspricht die Wellenlänge 488 nm einem n = 1 024 590. Wenn wie die Wellenlängen n+1, n und n-1 berechnen, erhalten wir:

Eine Resonatorlänge von 25 cm ergibt also einen Abstand der longitudinalen Moden von 0,0005 nm, ein längerer Resonator einen noch kleineren Wert. Bei einer Verstärkungsbreite von 0,004 nm liegen daher viele Wellenlängen im spektralen Bereich der Verstärkung.

Verstärkungsprofil

mögliche Wellenlängen im Resonator Ob die Verstärkung für die Entstehung einer Lasermode ausreicht, hängt auch noch von den Verlusten im Resonator ab.

nmn

Ln 9996,487

1

*21

nm

n

Ln 0006,488

1

*21

nm

n

Ln 0001,488

*2

Strahleigenschaften


17 von 33 Wieso ist die Wellenlänge des Lasers wichtig?


Wenn wir Atome zur Fluoreszenz anregen wollen, muss die einfallende Strahlung genau zur Energie des atomaren Übergangs passen.

Bei der Materialbearbeitung von Metallen sollte der Laser eine Wellenlänge haben, die von der Oberfläche nicht gut reflektiert wird. Sonst müsste eine sehr viel höhere Leistung eingesetzt werden, um im Metall noch ausreichende Wärmewirkung zu erzielen.

Bei der Bearbeitung von Kunststoffen kann man die Wellenlänge so wählen, dass die Absorption dort geschieht, wo sie gewünscht ist.

Beim Einsatz in der Interferometrie ist es hilfreich, wenn der Laser nur eine Wellenlänge aussendet (“single-mode laser”), um Schwebungen zu vermeiden.

Strahleigenschaften


18 von 33 Was versteht man unter „Intensität“?


Unter Intensität versteht man die Leistungsdichte = Leistung P pro Fläche A. Für einen Laserstrahl mit fester Querschnittsfläche A im Brennfleck ist die Leistung P als Funktion der Zeit t interessant.

P

t

Laser eingeschaltet

Man spricht von einem cw-Laser (= “continuous wave”); er ist solange „an“, bis man ihn ausschaltet.

Strahleigenschaften


19 von 33


Ein gepulster Laser (pm = “pulsed mode”) geht selbständig aus und muss immer wieder eingeschaltet werden. Wichtige Parameter des Strahls sind Pulsdauer tp, Pulsenergie Wp, Pulsleistung Pp und mittlere Leistung Pav. Als Pulsfolgefrequenz fp bezeichnet man 1/t.

P

t

Pp

tp

ppp tPW * ppp

av fWt

WP *

t

Reicht eine Zahl für die Festlegung der „Leistung“ aus?

Es gibt Laser mit fester Pulsfolgefrequenz und andere, die auf einen Triggerpuls warten, bevor sie einen Laserpuls abgeben.

Strahleigenschaften


20 von 33

5 mW: CD-Spieler

10 mW: DVD

100 mW: CD-R

250 mW: Sony-Laserdiode im CD-R-Brenner

100 - 5000 W: Laser-Schneidanlagen

700 TW: NIF (national ignition facility)

Das Bild zeigt die Anlage NIF im Lawrence Livermore Laboratory, (LLNL), Californien. Parameter:

1,8 MJ in 192 Strahlen in 3,5 ns. Fertigstellung: 2010.

Welche Leistungen sind durch welche Laser erreichbar?

Laserdiode

5 mm

Strahleigenschaften


21 von 33 Mit Laser-Messtechnik immer cool bleiben ...

In der Messtechnik soll das bestrahlte Werkstück meistens nicht zerstört werden.-

Gezeigt: Einsatz einer Laser-Diode niedriger Leistung bei der Auslese einer compact disc (CD) oder digital versatile disc (DVD).

Anwendung von Lasern hat etwas mit intelligenter Nutzung optischer Komponenten zu tun, hier für die Drehung der Polarisationsebene um 900.

Strahleigenschaften


22 von 33 Was passiert bei der stimulierten Emission?

Was einen Laser in der Funktion von einer Lampe unterscheidet, sind die Strahleigenschaften. Sie werden durch den Vorgang der „stimulierten Emission“ festgelegt. Mit der Emission und Absorption von Strahlung hat sich vor 100 Jahren Max Planck (1858 - 1947) beschäftigt.

Stimulierte Emission

Er hatte im Jahr 1900 die Formel aufgestellt, mit der die spektrale Strahldichte L eines absolut schwarzen Körpers der Temperatur T für jede Wellenlänge bei zwei Energieniveaus E1 und E2 berechnet werden kann (das Plancksche Strahlungsgesetz):

1e

hc2

LkT

EE

5

2

12

h = Plancksche Konstante

c = Lichtgeschwindigkeit

k = Boltzmann-Konstante

T = Temperatur

= Wellenlänge des Lichts


23 von 33 Wie sieht die Kurve zum Planckschen Gesetz aus?


Dieses Gesetz ist in der Lage, die von einem schwarzen Körper abgestrahlte Leistung für gegebene Temperatur T für jede Wellenlänge zu berechnen.

Rätselhaft an dieser Gleichung sind zwei Dinge: die Konstante h (Plancksche Konstante) und die „-1“ im Nenner.

Plancksches Gesetz (3500 und 4000 K)

0,0E+00

5,0E+11

1,0E+12

1,5E+12

2,0E+12

2,5E+12

0 500 1000 1500 2000 2500

Wellenlänge in nm

Str

ah

ldic

hte

Die Kurve geht sowohl für kurze als auch für lange Wellenlängen asymptotisch gegen Null. Dazwischen liegt ein Maximum, das sich mit höherer Temperatur zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt. Diese Kurven waren bekannt, und Planck schuf die passende Gleichung.


24 von 33 Wer hatte den entscheidenden Gedanken?


Dass es stimulierte Emission geben muss, hat zuerst Albert Einstein (1879 - 1955) im Jahr 1916 herausgefunden. Er hatte verstanden, was die „-1“ bedeutet.

Wir sehen ihn hier im Arbeitszimmer seiner Wohnung in Berlin (die Aufnahme entstand ca. 1920).

Links an der Wand hängt ein Bild von Isaac Newton. Einstein fühlte sich gerade ihm besonders nahe.


25 von 33 Wie ist Einstein auf diesen Gedanken gekommen?


Um diese Formel aus den physikalischen Vorgängen herzuleiten, ging Albert Einstein von drei verschiedenen Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Photonen und Atomen oder Molekülen aus.

Photon

1. Absorption

Energie

E1

E2

2. Spontane Emission

Energie

E1

E2

3. Stimulierte Emission

Energie

E1

E2

Durch einen Vorgang wird das Atom in den angeregten Zustand E2 befördert.

Demgegenüber gibt es zwei Vorgänge, die für den Übergang in den Grundzustand E1 zuständig sind.


26 von 33 Wie sehen die Übergangswahrscheinlichkeiten aus?


Aus dem Grundzustand (1) wird der angeregte Zustand (2) durch Absorption von Licht (L) bevölkert; spontane und stimulierte Emission entvölkern ihn wieder.

Die drei Differentialgleichungen für die drei Übergänge („Ratengleichungen“) lauten:

1. Absorption

2. Spontane Emission 3. Stimulierte Emission

L*N*Bdt

dN212

12

212

12 N*Adt

dN

L*N*Bdt

dN121

21

N1 = Zahl der Atome im Energiezustand E1

L = Leistungsdichte des Lichts der geeigneten Wellenlänge

N2 = Zahl der Atome im Energiezustand E2

A, B = Wahrscheinlichkeiten des Übergangs


27 von 33 Was folgt aus der Gleichgewichtsbedingung?


Im thermodynamischen Gleichgewicht gehen genauso viele Atome vom Grundzustand (E1) in den angeregten Zustand (E2) wie vom angeregten in den Grundzustand über:

Gleichgewicht:

Besetzung (Boltzmann):

Leistungsdichte des Lichts:

B1-2 = B-Koeffizient für Anregung

B2-1 = B-Koeffizient für stimulierte Emission

A2-1 = A-Koeffizient für spontane Emission

12kT

EE

21

12

Be*B

AL

12

L*B*NA*NL*B*N 122122211

kT

EE

12

12

e*NN

Die Besetzung N2 des oberen Energiezustandes E2 bleibt stets kleiner als N1, die Besetzungsdichte des unteren Energiezustandes E1. Dieses folgt aus der Boltzmann-Statistik (k = Boltzmann-Konstante).Wenn dieses in den Ausdruck für das Gleichgewicht eingesetzt wird, können wir die Formel nach L auflösen und erhalten:


28 von 33 Haben wir Einstein beim Entdecken über die Schulter gesehen?


Wenn B2-1 gleich B1-2 ist (und nur dann) entsteht nach Division im Zähler und Nenner durch B2-1 der folgende Ausdruck (D = A2-1/B2-1):

Das hat dieselbe Form wie das Plancksche Strahlungsgesetz mit D = 2hc2/5!!!

1e

DL

kT

EE 12

Vermutlich hat Einstein auf diese Weise entdeckt, welche physikalischen Grundlagen für die Form des Planckschen Gesetzes verantwortlich sind:

1. Übergänge im Atom geschehen nur zwischen festen Energieniveaus.

2. Es gibt drei Arten der Wechselwirkung zwischen Atomen und Licht, darunter die mysteriöse stimulierte Emission.

3. Die beiden B-Koeffizienten müssen gleich sein.


29 von 33 1960: Der erste Laser!


Der erste Laser wurde am 16. Mai 1960 durch Theodore Maiman in Betrieb genommen. Es handelte sich um einen Rubin-Laser, gepumpt durch eine spiralig gewundene Blitzlampe in einem zylindrischen Reflektor. Der Laser war nicht sehr groß.-


30 von 33 Wie sieht es mit der Sicherheit von Lasern aus?

Es gibt 4 verschiedene Sicherheitsklassen, die sich für cw-Laser noch sehr übersichtlich anordnen lassen. Die Einordnung für gepulste Laser ist schwieriger.

Quelle:“Safety with Lasers and Other Optical Sources”, David H. Sliney, Myron L. Wolbarsht, Plenum Publishing, N. Y. (1980)

Sicherheit

10 W

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

400 600 800 1000 1200 13000 nm

Class II

Class I

Class III

Class IVEin Laser, der Stahl schmelzen kann, wird auch biologisches Gewebe bearbeiten können. Das ist wichtig für die Sicherheit!


31 von 33 Gibt es überhaupt sichere Laser?

Damit sich Anwender nicht gegen die Lasersicherheit sperren, muss der Eindruck vermieden werden: „Ein Laser ist nur dann sicher, wenn er keinen Strahl abgeben kann.“

Sicherheit

Bei dieser Einstellung müsste man sonst demnächst auch das Essen mit Messer und Gabel verbieten.

Die Anwesenheit von Lasern einer bestimmten Gefährdungsklasse wird durch Warnschilder, die an den Türen von außen angebracht sind, angezeigt.


32 von 33 In Deutschland gilt die VDE 0837, Teil 1

Klasse 1: Die zugängliche Laserstrahlung ist unter vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen ungefährlich.

Klasse 1M: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im Wellenlängenbereich zwischen 302,5 nm bis 4000 nm. Die zugängliche Laserstrahlung ist für das Auge ungefährlich, solange der Querschnitt nicht durch optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) verkleinert wird.

Klasse 2: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich (400 - 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer (bis 0,25 s) ungefährlich, auch für das Auge. Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereichs erfüllen die Bedingungen für Klasse 1.

Klasse 2M: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich (400 - 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer (bis 0,25 s) ungefährlich, auch für das Auge, solange der Strahlquerschnitt nicht durch optische Instrumente verkleinert wird. Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereichs erfüllen die Bedingungen für Klasse 1M.

Sicherheit


33 von 33 VDE 0837 Teil 1

Klasse 3A: Die zugängliche Laserstrahlung ist für das Auge gefährlich, wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird.

Klasse 3R: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im Wellenlängenbereich zwischen 302,5 nm bis 106 nm und ist gefährlich für das Auge. Die Leistung beträgt maximal das fünffache der zulässigen Laserstrahlung der Klasse 2.

Klasse 3B: Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und häufig auch für die Haut.

Klasse 4: Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Die Laserstrahlung kann Brand- und Explosionsgefahr verursachen.

Sicherheit

Documents

SicherheitStimulierte EmissionStrahleigenschaften 1von 33 Einige Fragen zum Thema Laser-Anwendungen 1. Strahleigenschaften kontinuierlicher (cw) oder gepulster