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Werkzeug Licht: 60 Jahre Lasertechnik

| Redakteur: Kristin Rinortner

Am 16. Mai 2020 jährt sich die Erfindung des Lasers zum 60. Mal. Die Strahlungsquelle eröffnete völlig neue Möglichkeiten für Forschung und Industrie. Vor 60 Jahren waren die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten des Lasers allerdings noch nicht gleich absehbar.

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60 Jahre Laser: Laseranwendung im Maschinenbau beim Schneiden von Blechen.
60 Jahre Laser: Laseranwendung im Maschinenbau beim Schneiden von Blechen.
(Bild: Dmitrii Bardadim / pixabay)

Dem US-Amerikaner Theodore Harold Maiman gelang es am 16. Mai 1960 im kalifornischen Malibu als erstem einen Laserstrahl zu erzeugen, was er knapp drei Monate später, am 7. Juli 1960, bekanntgab. Schon drei Jahre zuvor hatte sich allerdings der US-amerikanische Physiker Gordon Gould die Idee notariell beglaubigen lassen. Der Patentstreit hielt lange an.

Der erste funktionsfähige Laser-Prototyp von Maiman löste in den 1960er Jahren einen regelrechten Forschungsboom aus und führte zu einer eigenständigen Disziplin, der Laserphysik. Das liegt an den besonderen Eigenschaften der Laserstrahlung: extrem hohe Energiedichte, Monochromasie, Kohärenz und Bündelungsfähigkeit bei minimaler Strahlendivergenz.

Für die theoretischen Vorarbeiten erhielt Charles Hard Townes zusammen mit Nikolaj Gennadijewitsch Bassow und Aleksandr Michajlowitsch Prochorow 1964 den Nobelpreis.

Laser ist die Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, deutsch: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Gould erdachte die Bezeichnung 1957 in Anlehnung an den Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Goulds Begriff setzte sich am Ende durch, obwohl zum Beispiel die Bell Laboratories lange am Namen Optical Maser, also optische Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung, festhielten.

Die Lösung, die ein Problem sucht

Visionen für industrielle Anwendungen blieben vorerst aus, denn man wusste nicht, was man mit der neuen Lichtquelle anfangen sollte. Auch Maiman soll noch 1964 in einem Interview der New York Times über seinen Rubinlaser gesagt haben: „Ein Laser ist eine Lösung, die ein Problem sucht.“ Das lag wohl auch daran, dass die Leistung des Rubin-Festkörperlasers gering war und er schnell kaputt ging.

Als man entdeckte, dass auch in Gasentladungslampen durch geeignet angeordnete Spiegel ein Laserstrahl angeregt werden kann, änderte sich dies. Diese Gas-Laser konnten auch im Dauerbetrieb arbeiten. Schließlich gelang es, verspiegelte Leuchtdioden, also Halbleiterbauelemente, zur Emission von Laserlicht anzuregen. Damit ließen sich sehr kleine Laser mit hohem Wirkungsgrad bauen.

Laser lassen sich nach der Wellenlänge und nach der aufgewandten Energie unterscheiden. Die Wellenlänge von Lasern reicht vom ultravioletten bis zum infraroten Spektrum.

Sehr genügsam sind Laserpointer, mit einer Strahlenenergie im mW-Bereich. Aus der Medizin bekannte Laser für Augenoperationen oder zum Entfernen von Haut-Unreinheiten und Tattoos arbeiten mit Leistungen unter 100 W. Bei der Materialbearbeitung (Laserschweißen, Laserschneiden von Blechen) liegen die Laserleistungen im Dauerbetrieb bei vielen kW.

Enorm wichtig wird die Lasertechnik auch für den Datentransfer über Glasfaseroptiken (Milliarden Bit/s über Strecken von mehr als 100 km ohne Zwischenverstärker) in der Informationstechnologie.

Maimans Entwicklung wird massentauglich

Die Massenproduktion von preisgünstigen Laserdioden hat den CD-Player und in seiner Folge CD-ROM-Laufwerke in Computern und schließlich den DVD-Recorder ermöglicht. Laserlicht verhalf auch der Holografie zum Durchbruch, einer Technik, mit der dreidimensionale Bilder in den Raum projiziert werden können. Kaum eine technische Innovation hat in so kurzer Zeit so vielfältige Anwendungen gefunden wie der Laser und ein Ende der Entwicklung ist noch nicht abzusehen.

Mini-Laser-Chip für die Datenübertragung nutzen

Optisch gepumpter integrierter Laser: Der Scheibenlaser wird von oben durch einen Laser mit Energie versorgt. Das aktive Lasermaterial (rot) wandelt Pumplicht in eine andere Wellenlänge um.
Optisch gepumpter integrierter Laser: Der Scheibenlaser wird von oben durch einen Laser mit Energie versorgt. Das aktive Lasermaterial (rot) wandelt Pumplicht in eine andere Wellenlänge um.
(Bild: AMO)

Wie spezielle Infrarot-Laser zur Datenübertragung genutzt werden, erforscht Dr. Anna Lena Giesecke von der Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik GmbH (AMO) aus Aachen. „Wir wollen die Datenübertragung komplett optisch regeln. Daher erforschen wir, wie miniaturisierte Laser auf Mikrochips integriert werden können“, erläutert die Physikerin des Forschungsinstituts, die das von der EU-geförderte Projekt POSEIDON koordiniert.

Partner aus drei EU-Ländern sowie Großbritannien arbeiten gemeinsam daran, neue Methoden der Herstellung kompakter Laser auf Mikrochips zu erforschen und sich so für die Datenübertragung vom rein elektronischen Bauteil oder großen externen Lasern zu lösen. In Kombination mit einer integrierten Schaltung ermöglicht der Laser die digitale Datenübertragung. Das Besondere an dem Ansatz: Statt Kabeln nutzen die Forschenden eine optische Wellenleiter-Plattform, welche neu erzeugtes Laserlicht verwendet.

„Durch diese Plattform können wir das Lichtsignal erst im letzten Schritt in ein elektrisches Signal umwandeln“, erläutert Giesecke. Der Ansatz sei daher sehr energieeffizient. „Weil wir mit unseren Lasern mehrere Farben nutzen können, sind viel mehr Daten transportierbar als bisher in Stromkabeln. So können wir mit Hilfe optisch aktiver Materialien einfach gesagt Nullen und Einsen verschiedener Farben gleichzeitig übertragen, quasi eine gelbe Eins und eine grüne Eins etc.“, erklärt Giesecke.

Eingesetzt soll die Technik beispielsweise in der Fahrzeugtechnik, wenn für autonom fahrende, vernetzte Fahrzeuge künftig ein viel größerer Datenaustausch auf der Straße als bisher nötig ist.

Umdenken in der Automobilbranche

Wie Laser in der Mobilität zur Fertigung von Elektromotoren eingesetzt werden können, macht man am Bayerischen Laserzentrum (blz) in Erlangen in Form des Laserstrahlschweißens vor. Dafür verwenden die Forschenden in Franken nicht wie bislang üblich infrarotes, sondern grünes oder blaues Laserlicht.

Für Werkstoffe wie Stahl ist infrarotes Laserlicht das Mittel der Wahl. Beim Schweißen von Kupfer – das für die Elektromotoren besonders wichtig ist – führt infrarotes Licht zu einem instabilen Schweißprozess und damit zu Spritzern und Poren in der Naht, weil die Energie des Lasers nicht optimal vom Kupfer aufgenommen wird. Eine verminderte elektrische Leitfähigkeit und die Gefahr von Kurzschlüssen können die Folge sein.

„Sichtbares Laserlicht löst das Problem. Das grüne oder blaue Laserlicht ist definiert durch seine kürzere Wellenlänge, die von hochreflektiven Werkstoffen wie Kupfer, Gold oder Nickel zu einem höheren Anteil aufgenommen wird“, sagt Kerstin Schaumberger, blz-Leiterin Prozesstechnik Metalle.

Erfolgreich eingesetzt wird das grüne und blaue Laserlicht am blz u.a. zum Schweißen sogenannter Hairpins, welche den Strom im Stator, im feststehenden Teil des Motors, übertragen und so für Antrieb sorgen. In der Automobilindustrie stößt die Verwendung der sichtbaren Laserstrahlung laut Schaumberger bereits auf großes Interesse.

Lasern beim Brückenbau kann Stahlbedarf fast halbieren

Nicht nur der Fahrzeugbau auch das Verkehrsnetz der Zukunft profitiert vom Schweißen mit Lasern. So hat die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern (SLV M-V) in Rostock ein Verfahren entwickelt, mit dem sich der Stahlbedarf der Hauptplatte beim Bau großer Stahlbrücken nahezu halbieren lässt.

Durch ein neues Verfahren, das lasergeschweißte Metallverstrebungen in einer mit Fachwerk vergleichbaren Technik einsetzt, reduziert sich die notwendige Stärke bestimmter Bleche beispielsweise von bislang 12 cm auf etwa 1,2 bis 1,6 cm.

„Möglich wird der massiv reduzierte Metallbedarf durch das von uns entwickelte Laser-Schweißverfahren. Dieses Verfahren macht die Schweißnähte zudem durch seine Reproduzierbarkeit viel haltbarer als es in aktuellen Regelwerken vorgesehen ist. Die europäischen Regelwerke sehen solch gute Schweißnähte heute teilweise gar nicht vor und müssen daher angepasst werden“, erklärt SLV-Geschäftsführer Dr. Rigo Peters.

Das ist auch der Grund dafür, warum die filigranen lasergeschweißten Brückenteile bislang erst bei Behelfsbrücken, aber noch nicht standardmäßig zum Einsatz kommen. Erfolgreich angewandte Laserforschung wartet hier darauf, die Praxis zu durchdringen.

„An der SLV Rostock mit ihren 15 Laseranlagen kommen diese Werkzeuge nicht nur für den Brückenbau, sondern auch in der Forschung für den Schiffbau, den Schienenfahrzeugbau oder in der Automobilindustrie zum Einsatz und sorgen so für Automatisierungslösungen, die uns am Standort Deutschland wettbewerbsfähig halten“, betont Peters.

Sei es in der Nachrichtentechnik, in der Medizin oder im Schiffbau: Die Lasertechnik hat die meisten Branchen der deutschen Volkswirtschaft erfasst. Mit ihrem großen Spektrum an Nutzungsmöglichkeiten geht die Forschung mit und an Lasern weiter, wie die vorgestellten Projekte aus der Zuse-Gemeinschaft beispielhaft zeigen.

Mit Material der Zuse-Gemeinschaft.

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