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Laser Licht als Werkzeug – der Laser wird 60

| Redakteur: Katharina Juschkat

Vor 60 Jahren wurde erstmals ein Laserstrahl erzeugt. Seitdem entwickelte sich Licht als wertvolles Werkzeug für Industrie und Forschung.

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Laser werden in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt – sei es als Showelement, als Katzenunterhaltung oder um Stahl zu schneiden.
Laser werden in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt – sei es als Showelement, als Katzenunterhaltung oder um Stahl zu schneiden.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Vor genau 60 Jahren – am 16. Mai 1960 – gelang es dem US-Amerikaner Theodore Harold Maiman zum ersten Mal, einen Laserstrahl zu erzeugen. Drei Monate später, am 7. Juli 1960, gab er das bekannt. Auch Charles Townes gilt mit als Vater des Lasers, er gewann 1964 den Nobelpreis für die Erfindung des Lasers. Die Idee des Lasers geht jedoch noch weiter in die Vergangenheit – der Physiker Gordon Gould kreierte bereits 1957 den Begriff des „Lasers“ und notierte seine Idee ausführlich in seinem Notizbuch. Das Patentrecht wurde Gordon erst 1988 nach einem jahrelangen Streit zugesprochen.

Der Name Laser ist übrigens eine Abkürzung, die für „Light Amplification by stimulated Emission of Radiation“ steht – zu deutsch „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“.

Vom Laserpointer bis zum Stahlschneider

Seit der Erfindung des Lasers kann Licht als Werkzeug genutzt werden, was für Wirtschaft und Forschung völlig neue Möglichkeiten bietet. Heute hat die Lasertechnologie die meisten Branchen erfasst, und auch die Forschung befasst sich weiter mit Lasern.

Laser lassen sich nach Wellenlänge ebenso wie nach aufgewandter Energie unterscheiden. Sehr genügsam sind z.B. Laserpointer, deren Strahlenenergie sich im Milliwattbereich bewegt. Anspruchsvoller sind die aus der Medizin bekannten Laser zum Entfernen von Haut-Unreinheiten und Tattoos. Auch Hals-Nasen-Ohren-Ärzte setzen Laser ein, so um Verwachsungen zu beseitigen oder zum Schneiden. Am anderen Ende der Skala beansprucht das Schneiden von Stahlplatten mit Lasern viel Energie. Die Wellenlänge von Lasern reicht von Ultraviolett bis Infrarot.

Laser, die Daten übertragen

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 Aachener Forschungsinstituts. Gemeinsam mit Partnern arbeiten die Forscher 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.

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. Dadurch entsteht der Laser bei einer Wellenlänge von 780 Nanometer (nm). Das neu erzeugte Laserlicht kann von der photonischen Wellenleiterplattform (blau) darunter verwendet und dann gemessen werden.
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. Dadurch entsteht der Laser bei einer Wellenlänge von 780 Nanometer (nm). Das neu erzeugte Laserlicht kann von der photonischen Wellenleiterplattform (blau) darunter verwendet und dann gemessen werden.
(Bild: AMO)

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“, erläutert Giesecke. Zum Zuge kommen soll die Technik z.B. in der Mobilität, wenn für autonom fahrende, vernetzte Fahrzeuge künftig ein viel größerer Datenaustausch auf der Straße als bisher nötig ist.

Mit grünem Laser schweißen

Auch bei der Fertigung von E-Motoren kommen Laser zum Einsatz: Am Bayerischen Laserzentrum (BLZ) verwenden dort für das Laserstrahlschweißen nicht wie bislang üblich infrarotes, sondern grünes oder blaues Laserlicht.

Für Werkstoffe wie Stahl ist infrarotes Laserlicht zwar das Mittel der Wahl, doch beim Schweißen von Kupfer – das für die E-Motoren besonders wichtig ist – führt infrarotes Licht zu einem instabilen Schweißprozess und damit zu Spritzern und Poren in der Naht, weil die Lichtenergie 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.

Weniger Stahl beim Brückenbau

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 von bislang z.B. 12 cm auf etwa 1,2 bis 1,6 cm.

„Möglich wird der massiv reduzierte Metallbedarf durch das von uns entwickelte Laser-Schweißverfahren“, erklärt SLV-Geschäftsführer Dr. Rigo Peters. 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“, so Peters. Das ist auch der Grund dafür, warum die filigranen lasergeschweißten Brückenteile bislang erst bei Behelfsbrücken, aber noch nicht standardmäßig zum Einsatz kommen. Auch an dem Einsatz im Schiffbau, dem Schienenfahrzeugbau oder in der Automobilindustrie forscht die SLV Rostock.

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