Grundlagenrecherche und Analyse von Entwicklungen in der Laser-, Schweiß- und Schneidtechnik

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Geschichtliche Entwicklung

2. Physikalische Grundlagen
2.1 Licht als Welle
2.2 Polarisation
2.3 Interferenz
2.4 Kohärenz
2.5 Bohr‘sches Atommodell
2.6 Absorption und Emission
2.7 Linienbreite

3. Der Laser
3.1 Aufbau und Funktionsweise
3.2 Laserverstärkung
3.3 Laserarten

4. Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1-1 Theodore Maiman und sein Rubinlaser[13]

Abb. 1-2 Theodore Maiman und sein Rubinlaser

Abb. 2-1 Elektrischer und magnetischer Feldvektor einer elektromagnetischen Welle [4 S. 988]

Abb. 2-2 Linear polarisierte Welle [2 S. 60]

Abb. 2-3 Zirkular polarisierte Welle [2 S. 60]

Abb. 2-4 Unpolarisierte Welle[5]

Abb. 2-5 Prinzip von maximaler konstruktiver Interferenz [eigene Abb.]

Abb. 2-6 Prinzip von maximaler destruktiver Interferenz [eigene Abb.]

Abb. 2-7 Modell nach Bohr [eigene Abb.]

Abb. 2-8 Prinzip der Absorption [eigene Abb.]

Abb. 2-9 Prinzip der spontanen Emission [eigene Abb.]

Abb. 2-10 Prinzip der stimulierten Emission [eigene Abb.]

Abb. 2-11 Abschwächung der Lichtwelle [eigene Abb.]

Abb. 2-12 Konstante Lichtwelle [eigene Abb.]

Abb. 2-13 Lichtverstärkung [eigene Abb.]

Abb. 2-14 Besetzungsverhältnis im thermodynamischen Gleichgewicht als Funktion der Temperatur [8 S. 45]

Abb. 2-15 Prinzip eines 3-Niveau-Systems [eigene Abb.]

Abb. 2-16 Prinzip eines 4-Niveau-Systems [eigene Abb.]

Abb. 2-17 Besetzungsdichte in 3- und 4-Niveau-Systemen [9 S. 47]

Abb. 3-1 Prinzip eines Superstrahlers [eigene Abb.]

Abb. 3-2 Prinzipieller Aufbau eines Lasers [eigene Abb.]

Abb. 3-3 Spezielle Anordnung der Pumplichtquelle [8 S. 123]

Abb. 3-4 Schematische Darstellung eines Lasergepumpten Lasers [eigene Abb.]

Abb. 3-5 Helium-Laser in Betrieb[10]

Abb. 3-6 Schema einer Laserdiode [eigene Abb.]

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1 Aufgabenstellung

Im Rahmen der Projektarbeiten sollen Entwicklungen im Bereich der LaserSchweiß- und Schneidtechnik untersucht werden, um den derzeitigen Stand der Technik darzustellen.

Hierzu soll die technische Funktionsweise beschrieben, die am Markt befindliche Lasertechnik analysiert und die verschiedenen Systeme miteinander verglichen werden.

Diese Projektarbeit (Teil A) befasst sich mit der technischen Funktionsweise von Lasern. Dazu werden zunächst die dazugehörigen physikalischen Grundlagen erläutert, worauf folgend die allgemeine Funktionsweise von Lasern beschrieben wird.

1.2 Geschichtliche Entwicklung

Der Begriff LASER ist ein Akronym¹ und setzt sich aus den Anfangsbuchstaben der Begriffsdefinition „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ zusammen [1 S. 66].

Im Deutschen bedeutet dies übersetzt „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Somit bezeichnet Laser sowohl das Gerät, welches die Laserstrahlen erzeugt, als auch den zugrundeliegenden physikalischen Effekt, welcher im Folgenden noch erläutert wird.

Das Prinzip der stimulierten Emission wurde bereits 1916 von Albert Einstein² theoretisch beschrieben und 1928 von dem deutsch-amerikanischen Physiker Rudolf Ladenburg³ experimentell nachgewiesen.

Der nächste große Schritt in Richtung eines funktionsfähigen Lasers, war 1954 die Entwicklung des sogenannten MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), welcher das Prinzip der stimulierten Emission im Bereich der Mikrowellenstrahlung nutzt.

1. Einleitung

Im Jahr 1960 stellte Theodore Maiman von den Hughes Research Laboratories in Kalifornien den ersten funktionsfähigen Laser vor. Mittels einen durch Blitzlampen angeregten Rubinstabes, nutze dieser die stimulierte Emission um einen roten Laserstrahl zu erzeugen [2 S. V].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-1 Theodore Maiman und sein Rubinlaser[13]

In den folgenden Jahrzenten entstanden viele verschiedene Lasertypen, welche letztendlich in unterschiedlichsten Bereichen Anwendung fanden. Diese werden in Teil B der Arbeit näher beschrieben.

2. Physikalische Grundlagen

Um ein Verständnis dafür entwickeln zu können, wie letztendlich ein Laserstrahl erzeugt wird, wird nun im Vorfeld die Fragen geklärt wie Licht entsteht, was Licht eigentlich ist und welche wichtigen Eigenschaften des Lichts ausschlaggebend für die Laserstrahlentstehung sind.

2.1 Licht als Welle

Viele Beobachtungen aus unserem Alltag liegen der Tatsache zugrunde, dass sich Licht in Form einer Welle ausbreitet. Während zum Beispiel die Ausbreitung von Wasserwellen auf Schwingungen von Wassermolekülen beruht, pflanzt sich Licht als elektromagnetische Welle fort. Dabei handelt es sich um sich ausbreitende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes. Elektrisches Feld⁴ und magnetisches Feld⁵ stehen dabei senkrecht aufeinander und senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Solche Wellen bezeichnet man als Transversalwellen⁶. Beide Felder sind miteinander gekoppelt und schwingen synchron [3 S. 6]. schwingen Abb. 2-1 Elektrischer und magnetischer Feldvektor einer elektromagnetischen Welle [4 S. 988] Sobald sich das elektrische Feld in einem bestimmten (Raum-)Punkt ändert, ändert sich zeitgleich das magnetische und umgekehrt.

Aus den Maxwell’schen⁷ Gleichungen ergibt sich folgender Zusammenhang [4 S. 988] : כሬԦൌܿ଴ ሬԦ (2.1)

Hierbei steht c 0 wieder für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum⁸. Je nach Wellenlänge und Frequenz lassen sich elektromagnetische Wellen in unterschiedliche Kategorien einteilen, wie beispielsweise Sichtbares Licht, Gammastrahlung oder auch Radiowellen, wobei die Grenzen der einzelnen Bereiche nicht streng abzugrenzen sind.

In manchen Fällen aber, so wie bei den späteren Kapiteln über Absorption und Emission, reicht die Betrachtung des Lichts als Welle allein nicht aus. Aus der Quantenphysik ist bekannt, dass quantenphysikalische Objekte gleichzeitig Charakteristika einer klassischen Welle und eines klassischen Teilchen zugeschrieben werden können. Diese Verknüpfung nennt man den WellenTeilchen-Dualismus.

Das Teilchen einer elektromagnetischen Welle nennt man Photon⁹. Dieses besitzt die Energie:

ܧ௉௛௢௧௢௡ ൌ ݄ݒ (2.2)

Darin ist h das Planck’sche¹⁰ Wirkungsquantum mit ݄ =6,626 070 040 · 10 − [34] Js und ݒ beschreibt die Frequenz [5 S. 1].

2.2 Polarisation

Wie bereits erläutert hat eine transversale elektromagnetische Welle die Eigenschaft, dass das elektrische Feld senkrecht auf seiner Ausbreitungsrichtung steht. Folgt die Amplitude der Schwingung dabei einer, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehenden, Geraden, dann ist die Welle linear Polarisiert [1 S. 1024].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-2 Linear polarisierte Welle [2 S. 60]

Überlagern sich zwei elektromagnetische Wellen so, dass die E-Vektoren gleiche Amplituden haben und um ߣȀͶ gegeneinander verschoben sind, dann verläuft der resultierende E-Vektor bildlich auf einer Schraube. Würde man diese Bewegung auf eine zweidimensionale Scheibe projizieren, sehe man einen Kreis. Solche Wellen bezeichnet man als zirkular Polarisiert [3 S. 212].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-3 Zirkular polarisierte Welle [2 S. 60]

Natürliche Lichtquellen, wie die Sonne oder auch Glühbirnen, strahlen unpolarisiertes Licht ab. Ihre, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehenden, elektrischen Feldvektoren sind statistisch regellos im Raum verteilt und weisen keine Vorzugsrichtung auf [4 S. 11].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-4 Unpolarisierte Welle[5]

2.3 Interferenz

Bei der Überlagerung zweier oder mehrerer Wellen gleicher Frequenz und Wellenlänge kommt es zu einer Addition der Amplituden beider Wellen, auch Superposition genannt. Je nach Phasenverschiebung der Wellen können sich die Wellen gegenseitig verstärken oder abschwächen.

Konstruktive Interferenz: Treffen die Wellenberge der einzelnen Wellen aufeinander, verstärken sich die Wellen. Maximale Verstärkung tritt demzufolge bei einer Phasenverschiebung von ߮ ൌ ʹ݇ߨ mit Ժ.א݇

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-5 Prinzip von maximaler konstruktiver Interferenz [eigene Abb.]

Destruktive Interferenz: Treffen Wellenberge auf Wellentäler, kommt es gemäß des Superpositionsprinzips zu einer Abschwächung der Amplitude. Bei einer Phasenverschiebung von ߮ ൌ ሺʹ݇ ൅ ͳሻߨ tritt maximale destruktive Interferenz auf und die Wellen löschen sich gegenseitig komplett aus [6 S. 332 f.].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-6 Prinzip von maximaler destruktiver Interferenz [eigene Abb.]

2.4 Kohärenz

Damit ein stabiles Interferenzmuster zu Stande kommt, muss die Phasenbeziehung der Wellen innerhalb eines Wellenzuges, d.h. die Welle ist räumlich und zeitlich begrenzt, konstant bleiben. Lichtquellen die diese Eigenschaft besitzen nennt man kohärent.

Gewöhnliche Lichtquellen, wie etwa Glühlampen, strahlen nur inkohärentes Licht aus. Grund ist, dass bei der Glühlampe jedes Atom unabhängig von den anderen in unregelmäßiger Folge kurze Wellenzüge aussendet. Diese hängen nicht miteinander zusammen und es liegt keine feste Phasenbeziehung zwischen ihnen vor.

Bei einem Laser dagegen entsteht ein langer Wellenzug, bei dem sich die Wellenfronten in regelmäßigen Abständen wiederholen. Der Laser sendet kohärentes¹¹ Licht aus.

Idealerweise sollte die Welle im Laser eine unendliche Ausdehnung haben. Aber in der Realität kann der Laser einen solchen Wellenzug nicht erzeugen, da auch nach dem Einschwingen einige Atome noch spontan emittieren und Photonen erzeugen, die nicht mit der erzeugten Strahlung übereinstimmen. Diese neuen Photonen überlagern die ursprüngliche Welle und sorgen dafür, dass sich die reale Welle zur idealen verschiebt [7 S. 65].

Als Maß zur Beschreibung dient die Kohärenzzeit ߬௄. Sie beschreibt die Zeitspanne, nach welcher die Verschiebung eine halbe Wellenlänge beträgt und sich noch Interferenz beobachten lässt.

Die reale, endliche Länge des Wellenzuges bezeichnet man analog mit der Kohärenzlänge ݈௄. Da sich die Welle mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet ergibt sich der Zusammenhang:

݈௄ ൌ ܿ߬௄ (2.3)

Kohärenzzeit und -länge lassen sich mit Hilfe des sogenannten MichelsonInterferometers¹² bestimmen.

Ein Laser kann aber nichtsdestotrotz als nahezu kohärent angesehen werden, da die Kohärenzlänge je nach Lasertyp mehrere Kilometer betragen kann, während herkömmliche Lichtquellen Kohärenzlängen im Millimeterbereich aufweisen [3 S. 216 f.].

Diese Kohärenz ist Voraussetzung und der Grund dafür, dass sich das Laserlicht stark bündeln lässt und über große Distanzen ohne Aufweitung strahlen kann. Da seine Lichtwelle somit auch mit einer fast exakten Frequenz schwingt, strahlt der Laser auch nur in einer einzige Farbe aus. Deshalb nennt man das Laserlicht auch monochromatisches¹³ Licht.

2.5 Bohr‘sches Atommodell

Der dänische Physiker Nils Bohr (1885 - 1962) stellte 1912 sein Modell der Atome vor. In diesem Atommodell umrundet das Elektron auf einer kreisförmigen oder elliptischen Bahn den positiv geladenen Atomkern, ähnlich wie Planeten die um die Sonne kreisen (Abb. 2-7). Durch die elektrische Anziehungskraft zwischen negativ geladenen Elektronen und positiv geladenem Atomkern auf der einen Seite und der Zentrifugalkraft auf der anderen Seite werden die Elektronen auf ihrer Bahn gehalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-7 Modell nach Bohr [eigene Abb.]

Weiterhin postulierte er, dass die Bahnen auf denen sich die Elektronen bewegen, klar bestimmt sind und die Elektronen dabei keine Strahlung abgeben. Bohr nahm an, dass die Elektronen einzig nur dann Strahlung abgeben (Emission) bzw. aufnehmen (Absorption), wenn das Elektron von einer der erlaubten Bahnen auf eine andere übergeht. Jede Bahn entspricht dabei einem gewissen elementspezifischen Energieniveau des Teilchens.

[...]

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¹ aus den Anfangsbuchstaben mehrerer Wörter gebildetes Kurzwort

² Albert Einstein (1879 - 1955)

³ Walter Rudolf Ladenburg (1882 - 1952)

⁴ Elektrische Feldstärke ܧሬԦ Einheit: 1 V/ m

⁵ Magnetische Flussdichte ሬԦ Einheit: 1 T (Tesla) = 1 N/Am

⁶ von lat. transversus = quer

⁷ nach James Clerk Maxwell (1831 - 1879)

⁸ ܿ଴ ൌ ʹͻͻǤ͹ͻʹǤͶͷͺ Τ

⁹ von griechisch ph õ s = Licht

¹⁰ nach Max Planck (1858 - 1947)

¹¹ von lat.: cohaerere = zusammenhängen

¹² nach Albert Abraham Michelson (1852 - 1931)

¹³ von griechisch mono-chromos = eine Farbe