Lasertechnologie: Kohärenz, Effizienz und Strahlberechnung

Berechnung der Laserstrahlgröße

Es ist einfach, die Größe eines Laserstrahls zu berechnen. Beträgt die Differenz 2 Mil, nachdem der Strahl 10 Meter zurückgelegt hat, so ist sein Radius 20 mm und sein Durchmesser beträgt 40 mm.

Kohärenz

Elektromagnetische Strahlung ist ein oszillierendes Phänomen. Die elektrischen und magnetischen Felder oszillieren zeitlich in einer Sinuskurve. Allerdings bleiben diese Schwingungen nicht lange bestehen und sind nicht immer an allen Punkten des vom Licht besetzten Raums identisch. Der Grad der Beziehung zwischen diesen Schwingungen zu verschiedenen Zeiten und an unterschiedlichen Positionen definiert die Kohärenz der Strahlung.

Die Kohärenz der Strahlung bestimmt die Sichtbarkeit von Interferenzerscheinungen (konstruktive Überlagerung von Wellen), die in bestimmten Messverfahren mit einem Laser genutzt werden.

Laser besitzen aufgrund ihres Erzeugungsmechanismus einen sehr hohen Grad an Kohärenz im Vergleich zu anderen Lichtquellen. Viele Laseranwendungen erfordern kein kohärentes Licht, aber für Bereiche wie die Holografie und spezielle Messverfahren ist Kohärenz von wesentlicher Bedeutung.

Ein Vergleich zwischen einer normalen Lichtquelle und einem Laser zeigt: Während gewöhnliches Licht zerstreut wird, ist Laserlicht gerichtet.

Effizienz und Strombedarf

Neben der Wellenlänge, der Leistung und den Pulseigenschaften gibt es zwei wichtige Faktoren: Effizienz und Strombedarf.

Laser unterscheiden sich stark darin, wie effizient sie die zugeführte Energie (in der Regel Elektrizität) in Licht umwandeln. Wie andere Lichtquellen sind sie bei der Lichterzeugung oft nicht sehr effizient; die beste Umwandlungsrate liegt bei etwa 20 %. Es gibt verschiedene Laserarten, die lediglich 0,01 % bis 0,001 % der eingesetzten Energie in Licht umsetzen.

Effizienz ist ein besonders kritischer Aspekt bei höherer Leistung. Es stellt kaum ein Problem dar, wenn ein 1-mW-Laser 1 Watt Abwärme erzeugt, da diese leicht abzuführen ist. Es ist jedoch extrem schwierig, 1 Million Watt Abwärme zu entfernen, wenn ein Laser mit 1 kW (1000 W) bei einer ähnlich geringen Effizienz arbeitet.

Physikalische Grundlagen und Optik

Der interne Betrieb von Lasern basiert auf der Physik. Die Laseremission hängt von Atomen und Molekülen ab, die Licht emittieren, was wiederum durch ihre innere Struktur bestimmt wird. Ebenso sind Laser optische Geräte. Für optische Anwendungen werden Komponenten wie Spiegel, Linsen und Prismen benötigt, um den Strahl präzise zu lenken.