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Optische Strahlung

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Optische Strahlung

Was ist Laserstrahlung?

Einführung: Laser und starke optische Strahlenquellen

  • Starke Quellen optischer Strahlung werden für verschiedene Zwecke eingesetzt.
  • Dazu zählen Lasergeräte (Laser ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" - Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) und sogenannte IPL-Systeme (intensive gepulste Lichtquellen).
  • Diese Strahlenquellen haben die Eigenschaft, in kurzer Zeit auf eine relativ kleine Fläche viel Energie einzustrahlen.

In vielen Bereichen der Technik, der Medizin und der Kosmetik, aber auch im normalen Alltag werden starke Quellen optischer Strahlung für verschiedene Zwecke eingesetzt. Dazu zählen Lasergeräte, die schon seit längerem verwendet werden und sogenannte IPL-Systeme, die noch nicht so lange in Gebrauch sind. Gemeinsam ist diesen Strahlenquellen die Eigenschaft, in kurzer Zeit auf eine relativ kleine Fläche viel Energie einzustrahlen.

GlossareintragKohärenz

Kohärenz bezeichnet in der Physik die Eigenschaft von Wellen, sowohl zeitlich als auch räumlich "in Phase" zu sein, das heißt, sie schwingen - bildlich gesprochen - parallel im gleichen Takt.

Laser

Das Wort "Laser" ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) und bezieht sich auf die Art der Strahlenerzeugung. Der Laser ist eine relativ junge Erfindung. Er wurde erstmals im Jahr 1960 mit einem Rubinkristall realisiert.

Erzeugung von Laserstrahlung

Der erste Schritt zur Erzeugung von Laserstrahlung besteht in der Anregung eines Lasermediums durch Energiezufuhr (als "Pumpen" bezeichnet). Als Lasermedium können sehr unterschiedliche Stoffe dienen. Verwendet werden Festkörper (wie zum Beispiel ein Rubinkristall), Halbleiter, Flüssigkeiten (wie zum Beispiel gelöste Farbstoffe) oder Gase (wie zum Beispiel ein Gemisch aus Helium und Neon).

Die Zufuhr der Anregungsenergie kann durch Blitzlampen, elektrische Gasentladungen, chemische Reaktionen oder einen anderen Laser erfolgen. Einige der angeregten Atome oder Moleküle des Lasermediums geben Photonen (Lichtquanten) ab und gehen dabei wieder in den nichtangeregten Zustand über. Treffen diese Photonen auf andere Atome oder Moleküle im angeregten Zustand, so geben diese ebenfalls Photonen ab, die mit den aufgetroffenen Photonen in Wellenlänge, Phase und Abstrahlrichtung exakt übereinstimmen. Diesen Vorgang nennt man "stimulierte Emission".

Um eine Verstärkung der Strahlung zu erreichen, lässt man den Vorgang in einem Resonator ablaufen, das heißt die Strahlung wird in einem Rohr an beiden Enden durch Spiegel reflektiert und durchläuft so das Lasermedium mehrmals. Bei jedem Durchgang werden weitere angeregte Atome oder Moleküle zur Abgabe von Photonen stimuliert. Voraussetzung dafür ist, dass die Länge des Resonators einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Einer der beiden Spiegel ist halbdurchlässig, so dass ein Teil der Strahlung das Lasermedium verlassen kann.

Eigenschaften der Laserstrahlung

Die austretende Laserstrahlung hat mehrere beachtliche Eigenschaften:

  1. Sehr hohe Einfarbigkeit (Monochromasie) - sie weist genau eine Wellenlänge auf;
  2. Kohärenz - die Wellen sind sowohl zeitlich als auch räumlich "in Phase", das heißt sie schwingen - bildlich gesprochen - parallel im gleichen Takt;
  3. Starke Strahlenbündelung - der Durchmesser des Strahls ist auch bei großer Entfernung von der Quelle sehr gering;
  4. Hohe Strahlungsdichte - aufgrund der starken Bündelung und der großen Verstärkung der Strahlung trifft auf eine kleine Fläche Strahlung mit hoher Intensität auf. Die Strahlungsdichte der Sonne kann damit um ein Vielfaches übertroffen werden.

Laserstrahlung kann in einem relativ großen Bereich des optischen Spektrums erzeugt werden. Er reicht vom Infrarotbereich über das sichtbare Licht bis zum UV. Der Wellenlängenbereich erstreckt sich von etwa 200 nm bis etwa 10 000 nm.

Pulslaser

Man kann Laser auch danach unterteilen, ob sie kontinuierlich Strahlung aussenden oder gepulst arbeiten. Pulslaser können zum Beispiel viele Pulse in definierten zeitlichen Abständen aussenden oder aber Einzelpulse. Für spezielle Anwendungen (zum Beispiel Kernfusion) werden extrem kurze (Dauer im Nanosekunden-Bereich) Einzelpulse mit außerordentlich hohen Spitzenleistungen im Megawatt oder Gigawatt-Bereich erzeugt.

Intensive gepulste Lichtquellen ("IPL-Systeme")

IPL-Systeme werden auch als "Blitzlampen" bezeichnet. Es handelt sich dabei nicht um Laser, sondern um Hochdruck-Xenon-Kurzbogenlampen die eine starke gepulste, nicht-kohärente Strahlung, in der Regel im Wellenlängenbereich von etwa 250 Nanometer (nm) bis 1400 Nanometer erzeugen. Durch Filterung wird der emittierte Wellenlängenbereich typischerweise auf sichtbares Licht und Infrarot eingeschränkt.

Durch die Pulsung wird für jeweils einen kurzen Zeitraum (circa 20 bis 100 Millisekunden pro Blitz) eine hohe Bestrahlungsstärke erzeugt, wodurch die biologische Wirkung gegenüber einer ungepulsten Bestrahlung verstärkt wird. Die Wirkungen (und gegebenenfalls auch die Nebenwirkungen) sind in vieler Hinsicht mit Laserstrahlung vergleichbar. Anwendung finden sie vor allem in Medizin und Kosmetik.

Stand: 29.11.2016

© Bundesamt für Strahlenschutz