Laser: alltägliche Helfer

Lichtschwerter im Supermarkt

von Elisa Schröer, 15. Januar 2018, Technik

Lasertechnologien erleichtern unseren Alltag. Egal ob im Blue-Ray-Player, Barcode-Scanner oder Laserpointer: Wie kleine Heinzelmännchen helfen sie uns – ohne dass wir es mitbekommen. Doch was genau steckt eigentlich dahinter?

Spätestens seit Star Wars kennt jeder Laser. Zumindest die, die in den Filmen dargestellt werden: Mit roten, grünen und blauen Lichtschwertern bekämpfen sich die Jedi und die Sith – und trennen damit sogar Arme und Beine vom Körper des Gegners ab. Neben den beeindruckenden Filmbildern kennt fast jeder das Geräusch, das beim Schwingen dieser Waffe zu hören ist. Dschuummm! In der realen Welt sehen die Anwendungen von Lasern etwas anders aus: Barcode-Scanner im Supermarkt, optische Laufwerke für CDs, DVDs und Blue-Rays und Laserpointer, mit denen wir unsere Katze ärgern.  Selbst Freizeitaktivitäten sind von Lasern geprägt: von Lasertag bis zur Lasershow beim Konzert. Doch Laser können viel mehr, als nur einen Barcode lesen oder spektakulär aussehen. Das Licht eines Lasers ist sogar im Stande, feste Materialien, wie zum Beispiel Stahl abzutragen und so Muster und Texte in Skalpelle oder sogar LKW-Kupplungen zu zeichnen. Das mittelhessische Unternehmen SOMACK Fertigungstechnik GmbH stellt dafür Lasermarkierungssysteme her, mit denen die Experten verschiedenste Gegenstände beschriften.

In der Fertigungshalle von SOMACK in Mücke programmiert Daniel Muela das Lasermarkierungssystem für den Auftrag eines Automobil-Zulieferers. Er ist bei SOMACK für das Qualitätsmanagement verantwortlich. „Wir können mit unseren Lasermarkierungssystemen Material abtragen oder auch Oberflächenstrukturen verändern“, sagt Muela. „So beschriften wir für unsere Kunden Bauteile und andere Produkte, die überwiegend aus den verschiedensten Metallen oder Kunststoffen bestehen. Vor allem in der Medizintechnik ist es wichtig, dass wir dabei die Eigenschaften der Oberflächen, etwa von Skalpellen, nicht verändern.“ Die Markierung darf das Material nicht spröde oder brüchig machen. „Mit der Lasermarkierung können wir das gewährleisten. Im Gegensatz zu beispielsweise Aufklebern ist unsere Markierung dauerhaft aufgebracht und kann nicht unbemerkt abfallen“, so Muela. Laser erzeugen ein sehr starkes, energiereiches Licht. Doch wie funktionieren sie eigentlich genau?

Ping-Pong im Lasermedium

Laser ist die Abkürzung für light amplification by stimulated emission of radiation. Auf Deutsch bedeutet das: Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Im Prinzip besteht ein Laser aus drei Grundbausteinen: einer Pumpquelle – zum Beispiel eine Blitzlichtlampe – einem Lasermedium und einem Verstärker. Die Pumpquelle versorgt den Laser mit Energie. Diese erhöht das Energieniveau der Teilchen des Lasermediums und versetzt sie in einen sogenannten angeregten Zustand. Nach einer gewissen Zeit geben die Teilchen die aufgenommene Energie wieder ab und fallen in ihren Grundzustand zurück. Dabei wird ein hochenergetisches Lichtteilchen, ein Photon, mit einer bestimmten Wellenlänge frei. Diesen Vorgang nennen Physiker spontane Emission.

Schematischer Aufbau eines Lasers.

„Dieses Photon schwirrt dann im Lasermedium herum, bis es auf ein Teilchen stößt. Da unsere Pumpquelle fleißig alle Teilchen des Lasermediums anregt, stehen die Chancen ganz gut, dass das Photon auf ein solches Teilchen trifft. Bei diesem Vorgang wird ein weiteres Photon frei“, erklärt Muela. „Dieses bewegt sich in die gleiche Richtung wie das Photon, das seine Emission ausgelöst hat.“ In diesem Fall sprechen Experten nicht mehr von einer spontanen, sondern von einer stimulierten Emission. Zusätzlich zur gleichen Bewegungsrichtung hat das neue Photon auch die gleiche Energie und die gleiche Schwingungsphase wie das alte.

Funktionsweise eines Lasers.

Dieser Vorgang wiederholt sich unzählige Male. Die beiden Photonen bewegen sich gemeinsam durch das Lasermedium und treffen auf weitere angeregte Teilchen – die Pumpquelle gibt permanent Energie in das System. Die dritte Komponente des Lasers ist der Verstärker, auch Resonator genannt. Der Resonator besteht aus einem Spiegel und einen halbdurchlässigen Spiegel. Diese erfüllen zwei Aufgaben gleichzeitig: Photonen, die nicht genau im rechten Winkel auf die Spiegel fallen, verlassen das Lasermedium und gehen verloren. Dadurch verstärkt der Resonator im zweiten Schritt nur die Photonen, die sich in die gleiche Richtung bewegen – senkrecht zu den Spiegeln. Der halbdurchlässige Spiegel reflektiert einen Teil der Photonen wieder zurück in das Lasermedium und den anderen Teil lässt er durch. Diesen sehen wir Menschen dann in Form des Laserlichts.

Von PET-Flaschen und Lichtschwertern

Mikhail Lukin und Vladan Vuletic von der Universität Harvard und vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA ist es 2013 gelungen, Laserlicht in eine feste Masse umzuwandeln – wie es für ein Schwert aus Star Wars notwendig wäre. Der Tag, an dem Wissenschaftler jedoch ein erstes, echtes Lichtschwert in der Hand halten, liegt wohl noch sehr weit in der Zukunft – keine guten Nachrichten für eingefleischte Star Wars-Fans. Dennoch verstecken sich Laser schon heute überall. „Sie begegnen uns regelmäßig im Alltag: Das Mindesthaltbarkeitsdatum auf PET-Flaschen wird beispielsweise mit einem Laser eingraviert“, sagt Muela. Er und sein Team nutzen die Technologie, um ganz unterschiedliche Gegenstände zu beschriften. Im Auftrag eines Automobil-Zulieferers hat sein Kollege gerade ein Teil der Radaufhängung – ein sogenannter Querlenker – markiert. Muela sieht sich die feinsten Linien an und überprüft die Qualität. Ihm gefällt an seiner Arbeit, dass die weiteren Anwendungsformen von Lasern so vielfältig sind. Ihnen ist es bereits gelungen, die Lasermarkierung „on the fly“ anzubringen – also während der Beförderung auf einem Fließband. Er und sein Team tüfteln weiter daran, die Technik stetig zu verbessern und an die Bedürfnisse der Kunden anzupassen.

 

Wie so eine Beschriftung gemacht wird, zeigt uns Daniel Muela von Somack:

Zeit für Geschichte

2017 wurde die Idee des Lasers 100 Jahre alt: 1917 beschrieb Albert Einstein die stimulierte Emission des Lichts. Er legte damit die theoretische Grundlage des Lasers. Ein praktischer Nachweis im Experiment gelang Rudolf Ladenburg bereits 1928. Doch erst 1960 baute Theodore Maiman den ersten echten Laser. Als aktives Medium nutzte er damals speziell hergestellte Rubine, weshalb seine Erfindung als Rubinlaser in die Geschichte einging. In den späten 1980er Jahren wurden neue Halbleitertechnologien entwickelt, die den Einsatz von Lasertechnologie beispielsweise in CD-Laufwerken oder Glasfasernetzen ermöglichte.


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