Der Laser – Lichtschwert und Arbeitsgerät
1960 entdeckte der Amerikaner Th. Maiman den Laserstrahl. Wohl kaum eine grundlegende Erfindung hat so einen raschen Aufschwung und so eine weite Verbreitung gefunden wie der Laser. Spektakulär sieht der Laser aus und regt die Fantasie an, in der Fertigungstechnik hat der Laser längst Einzug gehalten.
Ein Diskussionsbeitrag von Jens Hahn, Maschinenbau Hahn GmbH & Co. KG, Papenburg an der Ems/Niedersachsen
Technisches System des Lasers
Der Laser ist, ganz allgemein gesagt, ein neuartiger Generator, also ein Energieumwandler für elektromagnetische Schwingungen im Bereich der Lichtwellen. Das Wort ist eine Abkürzung für „light amplification by stimulated emission of radiation“. Wörtlich übersetzt: Lichtverstärkung durch künstlich angeregte Aussendung von Strahlung.
Jens Hahn, Leiter der Schweißtechnik bei Maschinenbau Hahn, verdeutlicht, dass bspw. ein Kristall, indem man ihn von außen bestrahlt, seinerseits zur Aussendung von Strahlen, und zwar verstärkter Strahlen, angeregt wird. Die Lichtverstärkung wird durch Spiegel an beiden Seiten der Kristallröhre erreicht. Das Licht läuft dann zwischen diesen zwei Seiten hin und her und wird durch die Reflexion verstärkt. Somit tritt es als Bündel paralleler Strahlen durch den einen der beiden Spiegel aus, der bspw. lichtdurchlässig ist. Damit gehört der Laser zu den künstlichen Strahlungsquellen, wie Glühlampe, Leuchtstoffröhre, Röntgenapparat oder Rundfunksender. Aber auch zu den natürlichen Lichtquellen, wie Sonne, Nordlicht, Blitz oder Glühwürmchen. Vielen ist nicht bewusst, dass auch die Natur den Laser als Lichtquelle nutzt. Die Wellen des sichtbaren Lichtes sind kürzer als ein tausendstel Millimeter, also 10.000-mal leichter als die Funkwellen im Mikrowellenbereich, und schwingen unterschiedlich schnell je nach ihrer Farbe. Der parallele Lichtstrahl des Lasers lässt sich mit optischen Linsen äußerst stark bündeln. Damit entsteht eine extreme Leuchtdichte. Die erreichbaren Energiekonzentrationen sind 1.000.000-mal höher als die Strahlungsenergie auf der Sonnenoberfläche. Wegen der zeitlichen Kohärenz der Laserstrahlung kann damit exakt ein- und ausgeschaltet werden.
Nutzung in der Technik der Maschinenbau Hahn
Die Energiedichte des Lasers reicht aus, um Stahl zu schmelzen, oder in Industriediamanten feinste Löcher zu bohren oder um Plasma zu erzeugen.
Jens Hahn verdeutlicht, dass es unterschiedliche Lasertypen in der technischen Anwendung gibt. Sie unterscheiden sich in erster Linie durch das aktive Medium und durch die Art der Strahlungsanregung. Es gibt Festkörperlaser, Gaslaser, Flüssigkeitslaser und Halbleiterlaser. Die Anregung kann durch optisches, thermisches oder chemisches Pumpen oder durch den elektrischen Strom erfolgen. In allen Fällen wird der Laser als rückgekoppelter Lichtverstärker betrieben, d.h. die Verstärkung findet in einem optischen Resonator aus zwei sich gegenüberstehenden Spiegeln statt.
Licht höchster Frequenzkonstanz liefern Laser mit neutralen Edelgasen als aktives Medium. Der Helium-Neon- und der Argonlaser – Wirkungsgrad und Leistungen sind gering. Bei Dauerbetrieb werden nur 0,1 % der investierten Energie und einige Zehntel Watt gewonnen. Bemerkenswert sind dagegen die Leistungen und der Wirkungsgrad des Kohlendioxidlasers. Dieser Typ erreicht kontinuierlich bis zu einige Hundert Watt bei Wirkungsgraden von 10 bis 30 %. Um die Ausgangsleistung noch weiter zu erhöhen, wird der Kohlendioxidlaser durch thermisches Pumpen angeregt.
