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Lexikon der Biologie: Laser

Laser m [Kunstwort aus Light amplification by stimulated emission of radiation], „Lichtverstärker", künstliche Strahlungsquellen für kohärente, quasi-monochromatische und scharf gebündelte Strahlung im sichtbaren (Licht) und den angrenzenden Bereichen des elektromagnetischen Spektrums (fernes Infrarot, Infrarot, Ultraviolett und Röntgenstrahlen). Der ursprüngliche Antrieb bei der Entwicklung des Lasers war der Bedarf der Physik nach leistungsfähigen kohärenten und monochromatischen („einfarbigen") Lichtquellen ( vgl. Abb. 1/3 ). Die üblichen Lichtquellen, wie Quecksilberdampflampen oder Bogenlampen, besaßen zwar hohe Intensitäten, aber sie gaben ihre Energie über einen großen Bereich des elektromagnetischen Spektrums verteilt ab, so daß auf einen bestimmten kleinen Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich nur ein geringer Teil der Energie entfiel. Für viele Anwendungen – insbesondere in der Spektroskopie – bedarf es aber einer möglichst hohen Strahlungsintensität in einem sehr kleinen Frequenzbereich. – Im Prinzip besteht jeder Laser aus 3 Komponenten: einem aktiven Lasermedium, von dem die Eigenschaften des Lasers weitgehend bestimmt werden (z.B. Festkörper [u.a. Rubinkristalle, Neodym-dotierte Kristalle oder Gläser, Halbleiter], Flüssigkeiten [u.a. Lösungen organischer Farbstoffmoleküle] und Gase [u.a. Kohlendioxid, Stickstoff, Metalldämpfe, Helium-Neon-Gemische, angeregte Edelgase), einem Pumpmechanismus, der dem Lasermedium Energie zuführt (z.B. Blitzlampe oder elektrisch betriebene Gasentladung), und einem Laserresonator (System aus Spiegeln und anderen optischen Elementen, das für die Rückkopplung und damit die induzierte Emission der Strahlung sorgt; vgl. Abb. 1/1 und Abb. 1/2). Abhängig vom speziellen Aufbau und der Wahl der Komponenten ergeben sich eine Reihe von verschiedenen Lasertypen, die sich vor allem in den erreichbaren Leistungen (zwischen einigen Mikrowatt und vielen Kilowatt) und Frequenzeigenschaften unterscheiden. – Die theoretische Voraussetzung für die Entwicklung des Laserprinzips war die Quantenmechanik, insbesondere ihre Konzepte der Besetzung von (diskreten) Energieniveaus, des Bildes der elektromagnetischen Welle als Teilchen (Photon; Quanten) und der induzierten Emission, welche die Grundlage der notwendigen „Lichtverstärkung" darstellt. Bei der spontanen Emission ( vgl. Abb. 1/4a ) wird ein Photon ohne äußere Einwirkung von einem angeregten Atom oder Molekül ausgesandt (Anregung [Abb.]), das dabei von einem höheren Energieniveau in ein tieferes übergeht. Hierbei werden die Photonen isotrop, d.h. mit gleicher Wahrscheinlichkeit in alle Raumrichtungen, und mit unterschiedlichen Frequenzen ausgesandt, deren Bandbreite durch die sog. Lebensdauer des angeregten Zustands bestimmt wird. Befindet sich ein angeregtes Atom jedoch in einem geeigneten Strahlungsfeld, dann kann es auch zur induzierten Emission kommen, bei der das emittierte Photon dieselbe Phase, Frequenz und Richtung (Kohärenz) besitzt wie das erste, induzierende Photon ( vgl. Abb. 1/4b ). Allgemein gilt, daß ein angeregtes Teilchen um so eher induziert anstatt spontan emittieren wird, je stärker das Strahlungsfeld ist, d.h., je mehr bereits emittierte Photonen rückgekoppelt werden. Umgekehrt gilt, daß rückgekoppelte Photonen eher absorbiert (Absorption) werden ( vgl. Abb. 1/4c ), wenn sich mehr Teilchen im unteren der beiden energetischen Zustände befinden (was einer sog. thermischen Verteilung entspricht), während die rückgekoppelten Photonen zur induzierten Emission beitragen, wenn sich mehr Teilchen im höheren Niveau befinden. Diesen letzteren Zustand bezeichnet man als Besetzungsinversion ( vgl. Abb. 1/5 ). Darauf aufbauend, besteht die Idee des Lasers darin, in einem Lasermedium genügend Teilchen in einen energetisch angeregten Zustand zu versetzen, also eine Besetzungsinversion herzustellen, aus dem sie Photonen im Bereich der gewünschten Wellenlänge emittieren können, und gleichzeitig dafür zu sorgen, daß diese Energie bei entsprechender Rückkopplung der Photonen überwiegend durch induzierte Emission abgegeben wird, so daß ein möglichst großer Teil der emittierten Strahlung (aufgrund der gleichen Phase, Frequenz und Richtung) kohärent, monochromatisch und gebündelt ist. – In der Praxis ist die Herstellung und Aufrechterhaltung einer ausreichenden Besetzungsinversion im Lasermedium meist das schwierigste Problem. Teilchen, die in höherenergetische Zustände versetzt wurden, fallen nämlich ohne äußeren Einfluß im allgemeinen nach kürzester Zeit durch Photo-Emission oder durch atomare Stöße in niedrigere Zustände zurück, worauf sich im Medium wieder eine thermische Verteilung einstellt, in der Zustände geringerer Energie stärker besetzt sind. Um eine Besetzungsinversion (also die Umkehr der natürlichen Verteilungsverhältnisse) herzustellen und aufrechtzuerhalten, ist somit zuerst ein Pumpmechanismus notwendig, der das Medium außerhalb seines thermischen Gleichgewichts hält, indem er Teilchen durch geeignete Zufuhr von Energie, z.B. durch Photoabsorption („optisches Pumpen") oder Elektronenstoß, kontinuierlich aus einem unteren Niveau in ein höheres anhebt ( vgl. Abb. 1/6 ). Zudem muß das Termschema der Energieniveaus der Teilchen im Medium ebenfalls bestimmte Bedingungen erfüllen. Die Gesamtheit der am Prozeß der Laseremission beteiligten Energieniveaus bezeichnet man als Niveauschema. Da zwischen dem Grundzustand und einem angeregten Niveau alleine keine Besetzungsinversion aufrecht erhalten werden kann, wird ein drittes, oft sogar noch ein viertes Niveau verwendet. Um die Besetzungsinversion möglichst einfach herstellen zu können, wählt man im Laserübergang – also demjenigen Übergang zwischen 2 Niveaus, bei dem es zur induzierten Emission von Laserphotonen kommen soll – für das obere Energieniveau eines mit möglichst langer (typischerweise in der Größenordnung von Nanosekunden = 10–9 s) und für das untere eines mit möglichst kurzer Lebensdauer (Pikosekunden = 10–12 s). Durch die lange Lebensdauer des oberen Niveaus können sich viele durch den Pumpmechanismus angehobene Teilchen dort sammeln und stehen für eine längere Zeit zur induzierten Emission zur Verfügung, bevor sie durch spontane Emission oder Stöße in niedrigere Niveaus zurückfallen würden, ohne zur Laseremission beizutragen. Eine kurze Lebensdauer des unteren Niveaus stellt sicher, daß sich dort auch bei starker induzierter Emission aus dem oberen Zustand nicht zuviele Teilchen „sammeln" können und somit die Besetzungsinversion auch im kontinuierlichen Laserbetrieb aufrecht erhalten werden kann. – Damit es im Laser tatsächlich zur „Lichtverstärkung" kommt, muß die durch eine elektromagnetische Welle beim Durchlaufen des Mediums verursachte induzierte Emission die Absorption übersteigen. Außer dem Laserniveauschema und dem Pumpmechanismus muß auch der Laserresonator den jeweiligen Anforderungen des Lasertyps entsprechend gewählt werden. Ein Laserresonator ist eine Kombination aus optischen Elementen zur Rückkopplung und zur Wellenlängen- bzw. Frequenzselektion der emittierten Photonen, z.B. Spiegel, Strahlteiler, Filter, optische Gitter. Im einfachsten Fall besteht der Laserresonator aus einem vollständig reflektierenden und einem halbdurchlässigen Spiegel, die entlang einer optischen Achse durch das Medium ausgerichtet sind. Der größte Teil der Photonen, die entlang der optischen Achse emittiert werden, wird in das Medium rückgekoppelt und läuft zwischen beiden Spiegeln hin und her, während nur ein kleiner Teil bei jedem Umlauf, bei dem es zur Ausbildung von stehenden Wellen für bestimmte Frequenzen („Schwingungsmoden") kommt, durch den halbdurchlässigen Spiegel ausgekoppelt wird (typischerweise um 1%) und den eigentlichen Laserstrahl bildet. – Die verschiedenen Lasertypen lassen sich nach 3 Aspekten unterscheiden. 1) Je nachdem, ob die Laseremission kontinuierlich oder gepulst ist, unterscheidet man Dauerstrichlaser und Pulslaser. Die größten Vorteile von Dauerstrichlasern liegen in der hohen erreichbaren Leistungs- und Frequenzstabilität und der schmalen Emissionsbreite, wie sie insbesondere für die analytische Laserspektroskopie unabdingbar sind. 2) Je nach der Möglichkeit, die Wellenlänge zu variieren, unterscheidet man durchstimmbare Laser, die in einem sehr breiten Frequenzintervall eine ausreichende Nettoverstärkung besitzen, so daß bei jeder beliebigen Frequenz im Intervall Laseremission möglich ist, und Festfrequenzlaser, die zwar mehrere diskrete Emissionslinien besitzen können, aber kein zusammenhängendes Frequenzintervall abdecken. Festfrequenzlaser zeichnen sich meist durch sehr hohe erreichbare Ausgangsleistungen aus. 3) Laser werden generell auch nach ihrem Medium klassifiziert, weil dadurch die wesentlichen Eigenschaften des Systems meist bereits vorgegeben sind (Festkörperlaser, Diodenlaser, Gaslaser: Neutralatomlaser, Ionenlaser, Moleküllaser und Excimerlaser [ vgl. Abb. 2 ], Farbstofflaser, chemische Laser, Freie-Elektronen-Laser). – Die heute erreichbaren höchsten Ausgangsleistungen von vielen kW (Kilowatt) sind in industriellen Laseranwendungen (z.B. bei der Materialbearbeitung, wie Bohren und Schneiden) wichtig, während die meisten technischen (z.B. Holographie) und medizinischen Anwendungen (Lasermedizin) mit Leistungen unter 100 W auskommen. Am stärksten zur Verbreitung des Lasers außerhalb der Wissenschaft trägt die Informationstechnologie bei, die nicht nur durch die Datenspeicherung auf CD-ROM dazu geführt hat, daß ein – ausgesprochen simpler – Diodenlaser inzwischen in fast jedem Haushalt (z.B. im CD-Player) zu finden ist, sondern durch den Datentransfer mittels Glasfaseroptik-Systemen (statt Kupferkabel) auch in Zukunft die Bedeutung der Lasertechnik noch weiter erhöhen wird. Die eigentliche Leistungsfähigkeit des Lasers wird aber fast ausschließlich in wissenschaftlichen Laseranwendungen, speziell in der Laserspektroskopie, genutzt: Die Möglichkeit, kürzeste Laserpulse mit Dauern < 10–15 s zu erzeugen, ist für die Kurzzeitspektroskopie nicht nur in der Physik, sondern auch in der Chemie und Biologie von besonderer Bedeutung. Laser mit geringen Linienbreiten sind zu dem wohl vielseitigsten Werkzeug in der Elementen- und Isotopen-Analyse geworden und als solches aus Gebieten wie der Umweltanalytik und der Ultra-Spurenanalyse nicht mehr wegzudenken. Auch die hohen Strahlungsintensitäten leistungsstarker Laser erlauben es, im Experiment Bedingungen zu schaffen, die sich anders gar nicht realisieren ließen: Wird ein Infrarotlaser mit einer Leistung von nur 100 W auf 10 mm2 fokussiert, dann lassen sich bereits Leistungsdichten von 1 GW/cm2 und elektrische Felder über 50 MV/m erzielen. Biophysik, Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie, Laser-Mikro-Manipulation, Laser-Nephelometrie, Laserradar, Laser-Scan-Mikroskopie, Nanotechnologie, Raster-Kraftmikroskop, Rastermikroskop, Sequenzierung.

Lit.: Born, M.: Optik. Berlin, Heidelberg 1985. Demtröder, W.: Laserspektroskopie. Berlin, Heidelberg 31993. Kneubühl, F.K., Sigrist, M.W.: Laser. Stuttgart 1988. Siegman, A.E.: Lasers. Mill Valley (CA) 1986.



Laser

Abb. 1:
1
Schematischer Aufbau eines einfachen Lasers, 2 eines Festkörperlasers; 3 Prinzipskizze der Unterschiede zwischen einem thermischen Strahler und dem kohärenten, monochromatischen Laser; 4 Laserprinzipien: a spontane Emission, b induzierte Emission, c Absorption (E1 = unteres, E2 = oberes Energieniveau, = Strahlungsquant, offene Kreise = unbesetzte, schwarze Kreise = besetzte Plätze); 5 Besetzungsdichte (-verteilung) bei thermischer Besetzung im Vergleich zur Besetzungsinversion; 6 verschiedene Pumpmechanismen (Photoabsorption, Elektronenstoß, Anregung) zur Herstellung der Besetzungsinversion



Laser

Abb. 2:
Das Photo zeigt als Beispiel für die Leistung eines sog. Excimerlasers (im Pulsbetrieb arbeitender UV-Laser; Lasermedium = angeregte Moleküle von meist Edelgas-Halogen-Verbindungen, wie ArF, KrF, XeCl oder XeF) ein mit dem Laser „beschriftetes“ menschliches Haar, links in Ausschnittvergößerung (Quelle: Lambda-Physik)

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