Wie viele Laserarten gibt es und worin bestehen die Unterschiede?

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Aufnahmen eines Laserkopfes von innen gesehen

Laser gibt es überall um uns herum. Von der Industrie (Automobilindustrie, Werkzeuge, Hydraulik, Haushaltsgeräte) bis hin zur Medizin und Kosmetik werden Laser heute in praktisch allen Bereichen eingesetzt, da sie vielseitig sind und vielfältige Bearbeitungen durchführen können, wie zum Beispiel Laserschneiden, Laserschweißen und Lasermarkieren, Entfernen von Tätowierungen, Augenchirurgie, Haarentfernung usw. Natürlich sind nicht alle Laser gleich, und je nach Anwendung wird der geeignetste Laser mit der für den Zweck am besten geeigneten Quelle ausgewählt.

Dabei lassen sich Laser in fünf Kategorien einteilen:

Darüber hinaus lassen sich diese fünf Lasertypen je nach ihrer Funktionsweise in Unterkategorien unterteilen: Dauerstrichlaser und gepulster Laser. Außerdem gibt es auch verschiedene Arten von gepulsten Lasern. Auch der Faserlaser, der zum Markieren eingesetzt wird, kann eine variable Pulsdauer haben (MOPA-Version), um Kunststoffe ohne Verschmieren oder Verbrennungen zu markieren.

 

Bevor wir uns jedoch mit den verschiedenen Lasertypen befassen, sollten wir definieren, was ein Laser ist und wie er funktioniert.

Was ist ein Laser?

Ein Laser ist ein Gerät, das Licht in Form eines Laserstrahls erzeugt. Ein Laserstrahl unterscheidet sich von einem Lichtstrahl dadurch, dass seine Strahlen monochromatisch (eine Farbe haben), kohärent (dieselbe Frequenz und Wellenform haben) und kollimiert (in dieselbe Richtung gehen) sind.

Laser liefern diese „perfekten Informationen“, die ideal für Anwendungen sind, die eine hohe Präzision erfordern.

In diesem Artikel haben wir über die Geschichte des Lasers von Einstein bis Gordon Gould gesprochen. Werfen wir nun einen technischen Blick auf die Bestandteile eines Lasers. Ein Laser besteht aus drei Hauptkomponenten:

Die Energiequelle

Die Energiequelle pumpt Licht in ein laseraktives Medium (das Lasermedium ist das Ergebnis der stimulierten Emission von Photonen durch elektronische oder molekulare Übergänge in einen niedrigeren Energiezustand aus einem höheren Energiezustand, der zuvor von einer Quelle besetzt war). Sie variiert je nach Lasertyp. Dabei kann es sich um eine Laserdiode, eine elektrische Entladung, eine chemische Reaktion, eine Blitzlampe oder andere Arten handeln.

Das laseraktive Medium

Das laseraktive Medium sendet bei Anregung durch Licht einen Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge aus. Man sagt, es sei die Quelle der optischen Verstärkung. Laser werden im Allgemeinen nach ihrem Verstärkungsmedium benannt. Bei einem CO2-Laser beispielsweise ist das Verstärkungsmedium CO2-Gas.

Der Resonator

Der Resonator erhöht die optische Verstärkung durch Spiegel, die das Verstärkungsmedium umgeben. Dazu gehören Endspiegel und Auskoppelspiegel in Festkörperlasern, geschnittene oder beschichtete Facetten in Laserdioden und Bragg-Reflektoren in Faserlasern.

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Gaslaser

Der CO2-Industrielaser ist ein Laser, bei dem elektrischer Strom durch ein Gas geleitet wird, um durch einen als Besetzungsinversion bekannten Prozess Licht zu erzeugen. Beispiele für Gaslaser sind Kohlenstoffdioxidlaser (CO2), Helium-Neon-Laser, Argonlaser, Kryptonlaser und Excimerlaser.

Gaslaser werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Holografie, Spektroskopie, Barcode-Scanning, Luftverschmutzungsmessungen, Materialbearbeitung und Laserchirurgie.

 

CO2-Laser sind die wohl bekanntesten Gaslaser und werden hauptsächlich zum Lasermarkieren, Laserschneiden und Laserschweißen eingesetzt. Mit dem FlyCO2 realisiert LASIT Markierungen auf organischen Stoffen wie Holz und Bambus, die besonders im Werbesektor nützlich sind.

Festkörperlaser

Festkörperlaser sind Laser, deren laseraktives Medium ein mit Ionen dotierter Kristall oder Glas ist. Damit unterscheiden sie sich von Farbstofflasern, die einen organischen Farbstoff, meist in flüssiger Lösung, als Lichtverstärkungsmedium verwenden, und von Gaslasern, bei denen eine elektrische Entladung durch ein geeignetes Gas (z. B. Helium-Neon) erzeugt wird, um kohärentes Licht zu erzeugen.

Faserlaser

Ein Faserlaser ist eine besondere Art von Festkörperlaser, der eine eigene Kategorie darstellt. Ein Faserlaser ist ein Gerät, bei dem „das aktive Verstärkungsmedium eine optische Faser ist, die mit Seltenerdelementen wie Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium und Holmium dotiert ist“.

 

Das Besondere an diesem Lasertyp sind die lichtleitenden Eigenschaften der optischen Faser: Der Laserstrahl ist kleiner als bei anderen Lasertypen, was ihn präziser macht. Faserlaser sind außerdem bekannt für ihren geringen Platzbedarf, ihre gute elektrische Effizienz, ihren geringen Wartungsaufwand und ihre niedrigen Betriebskosten.

 

Faserlaser werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, u. a. in der Materialbearbeitung (Laserreinigen, Texturieren, Schneiden, Schweißen, Markieren), in der Medizin und für Energiewaffen. In diesem Artikel werden die Vorteile des Faserlasers für die Lasermarkierung genannt, während in diesem Artikel der Unterschied zwischen einem Faserlaser und seiner Version mit variabler Pulsdauer (MOPA) näher erläutert wird.

Heute ist der Faserlaser die am weitesten verbreitete Anwendung zur Lasermarkierung und Lasergravur, da er eine dauerhafte, hochwertige Wirkung auf alle Metalle und fast alle Kunststoffe hat. Mit dieser Art von System sind wir auch in der Lage, sehr schwarze, nicht reflektierende Markierungen zu gewährleisten, die vor allem im medizinischen Bereich (aus Sicherheitsgründen) und in den Bereichen Haushaltsgeräte und Schmuck (aus ästhetischen Gründen) erforderlich sind.

 

Ein weiterer Lasertyp, der sich durch die Dauer seines Pulses auszeichnet, ist der Pikosekundenlaser. Mit dem FlyPico können wir kontrastreiche, nicht reflektierende schwarze Markierungen erzielen. Dies ist vor allem in der Medizin (aus Sicherheitsgründen) und in der Welt der Haushaltsgeräte und des Schmucks (aus ästhetischen Gründen) von Nutzen.

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Flüssigkeitslaser (Farbstofflaser)

Flüssigkeitslaser verwenden einen organischen Farbstoff in flüssiger Form als Verstärkungsmedium. Sie werden auch als Farbstofflaser bezeichnet und in der Lasermedizin, in der Spektroskopie, zur Muttermalentfernung und zur Isotopentrennung eingesetzt.

 

Einer der Vorteile von Farbstofflasern besteht darin, dass sie einen viel größeren Wellenlängenbereich erzeugen können. Sie gehören damit zu den abstimmbaren Lasern, bei denen die Wellenlänge während des Betriebs gesteuert werden kann.

 

Bei der Laserisotopentrennung beispielsweise werden die Laser auf bestimmte Atomresonanzen abgestimmt. Sie werden dann auf ein bestimmtes Isotop eingestellt, um die Atome zu ionisieren, so dass sie nicht mehr negativ oder positiv geladen, sondern neutral sind. Anschließend werden sie durch ein elektrisches Feld getrennt, was zu einer so genannten Isotopentrennung führt.

Halbleiterlaser (Laserdioden)

Eine Laserdiode (oder LD, von englisch Laser Diode) ist ein optoelektronisches Bauelement, das einen Laserstrahl aus dem aktiven Bereich des Halbleiters, aus dem das Bauelement besteht, aussenden kann. Die Struktur des Halbleiters ähnelt sehr stark derjenigen, die bei der Herstellung von LEDs (Light Emitting Diodes) verwendet wird.

 

Eine Laserdiode besteht, wie viele andere elektronische Geräte, aus dotiertem Halbleitermaterial, das in einer sehr dünnen Schicht auf der Kristalloberfläche vorliegt. Der Kristall wird dotiert, um einen n-Typ-Halbleiterbereich und einen p-Typ-Halbleiterbereich zu erzeugen, die übereinander liegen, um einen p-n-Übergang, d. h. eine Diode, zu erzeugen.

 

Wie bei anderen Diodentypen werden bei direkter Polarisierung der Struktur die Lücken aus dem p-Bereich in den n-Bereich injiziert, wo die Elektronen die Hauptladungsträger sind. In ähnlicher Weise werden Elektronen aus dem n-Bereich in den p-Bereich injiziert, wo die Lücken die Hauptträger sind. Wenn sich ein Elektron und eine Lücke im selben Bereich befinden, können sie durch spontane Emission rekombinieren, d. h. das Elektron kann den Energiezustand der Lücke wieder einnehmen und ein Photon mit einer Energie aussenden, die der Differenz zwischen den Zuständen des Elektrons und der betreffenden Lücke entspricht. Diese injizierten Elektronen und Lücken stellen den Injektionsstrom der Diode dar, und die spontane Emission verleiht der Laserdiode unterhalb der Laserschwelle ähnliche Eigenschaften wie bei einer LED. Spontane Emission ist notwendig, um die Laserschwingung in Gang zu setzen, verursacht aber Ineffizienz, sobald der Laser schwingt.

 

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