Voll Laser. Heute die Grundlagen.
Jeden fachlich orientierten Podcast muss es eine Folge geben, die wirklich alle komplett
ohne Grundlagen verstehen. Das versuchen wir heute mal. Ich verspreche aber nichts. Moin.
Moin. Ja genau, das werden wir versuchen. Wir geben uns die größte Mühe. Ich glaube,
wir kriegen was hin, Sven. Ja, ja. Also ich mache mir weniger Sorgen um mich,
weil ich habe eigentlich gar nicht so richtig Ahnung von Lasern. Aber du bist ja der absolute
Laserman. Deswegen könnte das schwierig werden. Ja, geht. Ich habe das einfach nur schon lange
gemacht. Na gut, du hast das mal studiert. Das ist so. Ich habe mal gehört, wenn man
etwa 3000 Stunden macht, dann kann man es gut. Und wenn man es 10.000 Stunden macht,
ist man ein Experte. Ich mache es jetzt 20 Jahre, aber ich weiß nicht, wie viele Stunden pro Woche.
Wirklich Laser. Also im Schnitt. Na ja gut. Also die Frage, was ist eigentlich ein Laser,
die wüsstest du doch, wo wir eben aus der Hüfte beantworten können, oder? Ja.
Yeah. Du erklärst die Abkürzung immer so schön. Sag doch nochmal, was heißt eigentlich Laser?
Und jetzt habe ich dir das so gesprochen, dass man die Punkte zwischen den einzelnen Buchstaben
gehört hat. Ja, genau. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, also Lichtverstärkung
durch stimulierte Emission von Strahlung. Das Ziel ist eigentlich beim Laser, dass man ein Medium hat,
durch die der Laserstrahl oder der Laserpuls, also das Laserlicht, immer wieder durchläuft und
verstärkt wird. Also es reflektiert innerhalb eines Resonators zwischen vielleicht zwei Spiegeln hin
und her und wird in diesem Laser Medium immer stärker verstärkt und einen Teil davon nimmt man
dann raus. Und das ist das Besondere, denn die meisten Gegenstände, die wir kennen, wo wir Licht
reinstrahlen, da kommt weniger Licht raus, als wir reinstecken. Und das, was dann fehlt, wird in Wärme
umgesetzt. Da werden wir auch nochmal drüber reden, wenn wir über die Komponenten des Lasers reden.
Es wird auch noch eine Folge sein, was denn eigentlich dieses Medium auch für Eigenschaften
haben muss, was es da für welche gibt und wie man die Energie da reinbekommt, damit es überhaupt
Licht verstärkt. Denn die Energie muss ja irgendwo herkommen und warum muss es eigentlich Resonator
geben? Genau, aber das alles leitet sich aus dem Wort ab. Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Emissionen. Gut, wir haben also einen
Lichtverstärker, wir packen da Energie rein und dann kommt da ganz starkes Licht raus. Was für
Eigenschaften hat denn dieses Licht? Ja, ist es überhaupt Licht. Also eigentlich ist es so,
dass es elektromagnetische Wellen sind, die hier rauskommen und das elektromagnetische Spektrum
umfasst ja ganz vieles. Also es gibt die Infrarotstrahlen, es gibt die UV-Strahlen,
es gibt die Gamma-Strahlen, die Röntgenstrahlen und die Radiowellen etc. Und das sind alles
elektromagnetische Wellen und das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil davon. Das ist also der
Teil, den wir sehen können. Also mit Licht würde man den Teil der elektromagnetischen Wellen
benennen, um es korrekt zu sagen, den wir sehen können. Und die Laser, die man in der Laser-Material-
Bearbeitung einsetzt, also womit man dicke Bleche schweißt oder irgendwas auseinanderschneidet oder
Löcher bohrt oder additiv aus dem Pulverbett Dinge fertigt, die sind meist sogar im Infraroten. Also
die Laser-Strahlen können wir selbst mit unserem Auge gar nicht sehen. Ich war gerade dazwischen,
Greg, schon bei Infrarot und Ultraviolett macht man meistens eine Ausnahme, dass man sagt, naja gut,
dann nennen wir auch, das nennen wir auch noch UV-Licht. Man sagt ja auch eine UV-Lampe oder eine
Infrarot-Lampe. Das können wir zwar auch nicht wirklich sehen, aber man sagt ja auch das sichtbare
Licht so doppelt gemoppelt. Von daher, die Terminologie ist da, ich sag mal, ein bisschen schwammig.
Genau, so wie jede wissenschaftliche Disziplin ihren eigenen technischen Terminus hat, ist es so,
dass Physiker da vielleicht an einer anderen Stelle spitzfindig sind als Ingenieure. Aber jeder hat
da seine eigene Spitzfindigkeit. Wir nehmen uns hier mal heraus, in folgenden Folgen auch Laser-Licht
zu Laser-Strahlen zu sagen, die man vielleicht nicht mit dem Auge sehen könnte. So frech sind wir
mal. Wo sollst du auch einen aufhalten? Wir haben Laser, versuch das nicht. Ja, das haben andere auch.
Ja Mist. Ich würde noch mal einmal auf das Laser-Licht zu sprechen kommen. Was ist denn das
Besondere daran? Allgemein bekannt ist ja sicherlich, dass Laser-Licht, also dass die
Laser-Strahlen einen sehr schmalbandigen Bereich dieses Wellenlängenspektrums abdecken. Also es
ist nicht genau eine Wellenlänge, das geht physikalisch nicht, aber nahezu. Das ist für
die Materialbearbeitung oft gar nicht so entscheidend, ob die Breite des Laser-Lichts jetzt ein Nanometer
oder fünf Nanometer sind. Das hängt ein bisschen von der Anwendung ab, aber wenn ich jetzt so
schweißtechnische Anwendungen im Hinterkopf habe. An der Stelle können wir vielleicht mal zwei Begriffe
einführen, die wir unter uns relativ viel benutzen. Das sind einmal die Photonenzähler und die
Blechbatscher. Das sind die zwei großen Gruppen in der Lasertechnik. Wir sind glaube ich ziemlich
solide Team Blechbatscher. Ja, Team Blechbatscher, würde ich auch sagen. Interessiert nicht, ob das
denn kohärent ist oder was das genau für eine Mode ist oder wie wir wissen, wie viel Leistung da auf
das Blech kommt. Genau, es gibt also für dieses Laser-Licht, es gibt eigentlich eine gut ab-
endlich abzählbare Anzahl an Parametern, die das Licht definiert. Also es ist, welche Wellenlänge
hat es? Es ist nahezu eine Wellenlänge, sagen wir jetzt mal im Folgenden. Das ist entscheidend für
das Absorptionsverhalten. Manche Materialien erfordern spezielle Wellenlängen zum Beispiel.
Dann gibt es eben die Eigenschaft, dass das Laser-Licht nahezu gebündelt ist, also nahezu
parallel. Es ist aber nicht so, dass es wirklich ein paralleles Strahlenbündel gibt. Das ist
physikalisch nicht möglich und da müssen wir ein bisschen genauer drauf gucken, denn das ist ganz
wichtig, die Ausbreitung des Laserstrahls genau zu kennen, wenn man damit arbeitet. Weil
das auch etwas ist, was sich mit der Zeit verändern kann, wenn Schutzgläser zum Beispiel verunreinigen,
etc. etc. Also wo ist der Fokus? Wenn wir den Strahl nicht sehen, wo ist denn der Fokus? Dann
müssen wir es wissen oder wir müssen es messen. Und dann ist quasi ein drittes wichtiges
Charakteristikum einfach die Leistung, die wir in dem Laserstrahl haben. Also wir haben viel
Leistung an einem Punkt. Das ist eben genau das, was das Laser-Licht ausmacht und das weiß jeder,
der schon mal mit der Sonne und einer Lupe gespielt hat. Damit kann man Holz zum Brennen bringen im
Sommer, indem man das Sonnenlicht fokussiert. Aber unendlich klein fokussiert man eben,
fokussiert man das Licht beim Laser eben auch nicht. Es gibt also eine minimale Größe. Es ist
durch physikalische Effekte eben begrenzt und da gibt es physikalische Limits und es gibt technische
Limits. Die technischen Limits sind größer. Also manche Laser sind einfach nicht gut genug,
um so gut zu sein, wie die Physik es erlauben würde. Und da werden wir auch in späteren Folgen noch
mal genau drauf gucken. Ich sehe da eine komplette Folge zu dem Thema zu kommen. Ja, auf jeden Fall.
Also das ist auch eines der wichtigsten Outcomes, glaube ich, auch aus der Vorlesung, dass man das
genau versteht und beherrscht. Denn am Ende ist die Leistungsdichte eben entscheidend. Also so ein
Laserstrahl, ich sage jetzt einfach mal Zahlen, so ein Laserstrahl hat, weiß ich, zwei Kilowatt und
den fokussieren wir dann auf einen Punkt mit einer bestimmten Größe. Und am Ende ist es die
Intensität oder Leistungsdichte, das ist ein Synonym, auf welche Querschnittsfläche fokussieren
wir es. Also wie viel Leistung pro, also wie viel Watt pro Quadratzentimeter haben wir da. Und da gibt
es Grenzen auch physikalisch, die ganz unterschiedliche Effekte haben. Zum Beispiel,
wenn wir Stahl schweißen, also was hat das mit der Anwendung zu tun, wenn wir Stahl schweißen?
Dann machen wir das mit einem Strahl, der 10 hoch 5, 10 hoch 6 Watt pro Quadratzentimeter hat, um das
Material flüssig zu machen. Wenn wir noch viel höher gehen, 10 hoch 7, 10 hoch 8 Watt pro Quadratzentimeter,
dann werden wir wahrscheinlich den Stahl verdampfen und haben einen komplett anderen Prozess, den man
ganz anders steuern muss. Und deswegen, und das entscheidet sich eben über die Leistungsdichte und
die ergibt sich eben aus dem Querschnitt an der Oberfläche und aus der Leistung des Stahls. Und
das ist entscheidend über die Wirkung am Prozess.
Ich bin ja jetzt schon ein bisschen älter und ich kann mich da an so einen alten James Bond Film
erinnern. Und in dem ist er auf so einen Tisch gebunden und dann ist da so eine Laserkanone,
anders kann man es gar nicht beschreiben. Und die bewegt sich dann da irgendwie auf den Platz
zwischen seinen Beinen auf den kleinen Bond zu. Hast du den Film auch gesehen?
Ja. Welcher war das? War das Goldfinger?
Ja, ich glaube, das war einer von denen. Der Bösewicht ist ja mehrfach aufgetaucht. Der
erklärt dann auch irgendwie, dass das eine Art von Licht ist, die in der Natur gar nicht
vorkommt. Wobei ich mich dann frage, in was die sich da gerade befinden, wo sie da stehen,
ob das nicht die Natur ist. Aber gut, das ist eine Definition von Natur. Ist das realistisch,
was da passiert? Na ja, James Bond kann sich ja befreien.
Von daher sieht man nicht, was mit ihm dann wirklich passiert.
Genau. Also es ist von daher nicht realistisch, dass zu diesem Zeitpunkt zwar das Prinzip Laser
irgendwie bekannt war, aber solche Laser gab es da halt noch lange, lange nicht. Also diese
Leistungen, die waren zu dem Zeitpunkt noch, ich sag mal, vielleicht denkbar, aber nicht von vielen.
Ja, da muss man immer so ein bisschen gucken, was ist denn industriell verfügbar? Also was
kann man kaufen und was ist in Forschungslaboren zum Teil verfügbar gewesen? Und wie skalierbar
ist das Ganze? Das ist heutzutage so, dass Laser extrem gut skalierbar sind. Also es gibt Firmen,
da kann man hingehen und sagen, ich brauche ein Laser mit 100 Kilowatt. Dann sagen die,
einen Preis, dann zahlt man den Preis, dann kriegt man den Laser. Das ist also schon Wahnsinn. Aber
auch hier ist es die Leistungsdichte letzten Endes, die da die Wirkung erzeugt. Ja gut,
auf jeden Fall unrealistisch ist der eklatante Mangel an Lasersicherheit in dieser Szene. Wenn
ich einen Laser hätte, mit dem ich meinen Gegenspieler in der Mitte durchschneiden kann,
dann würde ich mich nicht einen Meter daneben stellen, während das Ding läuft, um ihm irgendwie
einzuhlzuhalten. Richtig, das ist echt ein ganz wichtiger Aspekt. Die Lasersicherheit,
der Bösewicht bei James Bond hat dann sicherlich nicht die, also entsprechend der Lasersicherheit
gehandelt. Ich glaube nicht, dass ihn das sonderlich interessiert und ich glaube auch nicht,
dass die Berufsgenossenschaft vorbeikommt, um ihm sein Evil Leer zuzumachen. Aber gut. Genau,
aber das ist vielleicht auch ein wichtiger Aspekt. Ich weiß nicht, ob wir noch mal eine Folge zur
Lasersicherheit machen können. Warum Sicherheit? Schenkelklopfer. Aber es ist so, dass es ja schon
so, dass eben die heute üblichen Laser bei einem Mikrometer Wellenlänge ungefähr sind. Das bedeutet,
sie sind im nah-infraroten Bereich. Wir können sie nicht sehen. Sie sind aber nah am sichtbaren Licht
von der Wellenlänge. Das heißt, unser Auge lässt zum Beispiel diese Wellenlänge vorne durch die
Linse durch und ein Schaden durch die Laserstrahlung im Auge wäre dann dort, wo die Rezeptörchen im
Auge sind. Also wir würden die Zapfen hinten beschädigen und das ist heutzutage nicht
reversibel. Also das kann man nicht medizinisch wieder in den Griff kriegen. Das heißt, man kann
sein Augenlicht verlieren und wenn die Laserstrahlen halt sehr sehr stark sind, dann gibt es auch eine
Menge Streustrahlung, die im Raum durch die Gegend fliegt, also die Reflektion der Reflektionen und
so weiter. Und die kann auch schon schädigend sein und es gibt kein Organ, das einem irgendwie sagt,
oh Gott, da ist eine Gefahr, weil man es eben nicht sieht. Und das ist ein ganz ganz großes
Gefährdungspotenzial. Deswegen darf man sowas auf Teufel komm raus nur mit Laserschutzbrillen machen.
Das sind dann Brillen, die spezielle Gläser haben, die dann wiederum eine spezielle Beschichtung drauf
haben, die das Streulicht abhalten. Auch da würde ich nicht mit einem Laserstrahl reingucken direkt,
aber das ist wichtig. In der Industrie ist es so, natürlich auch spannend, wie realisiert man das
in der Automobilfertigung, in der Fertigungsstraße. Das sind dann immer abgeschlossene Bereiche, die
eben nicht zugänglich sind. Ja, bei uns im Labor genauso. Der Laser, den wir jetzt gerade haben,
wir bekommen noch einen zweiten in einigen Wochen. Der hat vier Kilowatt, das ist ein Diodenlaser und
der steht in einem textilen Laserschutz. Der textile Laserschutz merkt halt, wenn der Laser
"reinschießt" und schaltet den Laser dann ab. Da gibt es also Lichtschranken und den
Türsensor und so weiter. Also ein ziemlich großer technischer Aufwand, um sicherzustellen,
dass da in diesem Bereich niemand drin ist, wenn der Laser aktiv ist. Genau, das hätte der
Bösewicht sicherlich benutzen können und den Textil-Schutz um James Bond herum bauen können,
um sich selber nicht zu gefährden und das von außen in der Kamera beobachten können. Aber ich
glaube, diesen Laserschutz gab es damals nicht. Ich glaube, die Lasersicherheit stand bei dieser
Anwendung nicht im Vordergrund. Ich habe noch eine zweite ganz seriöse Frage. Ich aute mich
jetzt ein bisschen altersmäßig. Ich habe in den 90ern ziemlich viel vom Fernseher gesetzt und habe
so "Mask" geguckt und "Saber Rider" und die "Star Sheriffs" und die "Galaxy Rangers" und so weiter und
so fort. Und da war Laser immer irgendwie so eine rote oder grüne oder auch mal blaue Linie, die von
einem Fahrzeug oder einer Laserpistole oder einem Raumschiff gerne mal abgeschossen wurde und sich
dann auf den Weg gemacht hat und da dann irgendwen verfehlt oder getroffen hat. Wie realistisch ist
diese Linie, die da irgendwie aus meiner Laserkanone auf dein Raumschiff zufliegt? Vielleicht ein bisschen
eine doofe Frage. Ich gebe es zu. Es gibt ja keine doofen Fragen, aber die hier ist nah dran. Also
da ist natürlich, das sind ganz viele Aspekte. Also zum einen, es gibt auch diese Fortunentorpedos
oder so. Da muss ich immer dran denken, die gibt es ja bei Star Trek, glaube ich. Aber wenn der
Laserstrahl aus dem X-Wing rauskommt und auf den Todessternen zufliegt, dann macht er das mit einer
endlichen Geschwindigkeit. Also Licht breitet sich auch mit einer endlichen Geschwindigkeit aus,
aber man würde sofort die ganze Linie sehen. Erstens. Zweitens wird dann suggeriert, dass der
Laserstrahl komplett koalimiert ist, das heißt komplett parallel ist, also überall die maximale
Wirkung erzeugt, denn die Leistungsdichte ist entscheidend für die Wirkung. Das ist auch nicht
so. Das heißt, wir haben irgendwo einen Fokuspunkt und ein Laserstrahl, egal was man tut, der geht
immer ein bisschen auseinander. Es ist ja auch gar nicht wünschenswert, dass der komplett koalimiert
ist, sondern ich will ja im Prinzip da, wo ich dann auf das gegnerische Raumschiff treffe, die
maximale Leistungsdichte haben. Das heißt, ich will ihn ja auch fokussieren. Ja genau, aber das wird
in den Filmen halt nicht abgebildet, weil die Frage war ja, ob das in den Filmen, also wie nah ist
das an der Realität? Genau. Das heißt, man müsste eigentlich gucken, wie weit ist das Raumschiff weg,
keine Ahnung, ein Kilometer und dann müsste man eine Linse einsetzen mit der Brennweite ein Kilometer
und dann ist es schon weggeflogen. Also da gibt es bestimmt adaptive Optiken und da gäbe es auch
technische Lösungen. Ich weiß nicht, ein Kilometer ist auch schon nahe an unendlich weit weg, also das
ist alles Quatsch. Also da kommt man auch an physikalische Grenzen und dann kommt genau
der Punkt, diese physikalische Grenze. Wie klein kann ich ihn fokussieren und das aus welcher
Entfernung bezogen, auf welchen Durchmesser? Also das ist das Thema Strahlqualität, das ist nicht
ganz einfach zu verstehen. Das gucken wir uns nochmal gesonderten Erfolge an. Das ist mir auch
in der Vorlesung immer sehr wichtig, dass die Studierenden das total verinnerlichen. Der Clou ist
eben, da gibt es eine physikalische Grenze und je kürzer die Wellenlänge ist, desto besser. Und
wenn man die Laserstrahlen sieht, von denen du gerade sprichst, dann sind die grün und rot und blau. Das
heißt, wir wissen alle, die sind irgendwo, was weiß ich, die blauen sind bei 380 Nanometer, die grünen
bei 500 Nanometer und die roten bei 600, irgendwas 630. Das heißt, die sind alle in einem bestimmten
Bereich. Da könnte man auch ausrechnen, was ist die maximal erlaubte Leistungsdichte. Aber abgesehen
davon, und da gibt es eben auch noch einen ganz großen Pferdefuß an dieser Stelle, der Weltraum ist
nahezu leer. Also da gibt es keine Materie, an denen die Laserstrahlen streuen könnten. Also keine
Ahnung, wenn ich einem Kind einen Laserpointer zeige und sage, guck mal, hier kommt jetzt ein
Laserstrahl raus, dann sieht das Kind ja auch nur den Punkt an der Wand. Bühnentechnik, da haben wir
genau das. Wir müssen unsere Laser irgendwie oder überhaupt unser Licht sichtbar machen. Das heißt,
wir haben da eine Nebelmaschine oder den Hazer, der die ganze Zeit so leichten Nebel auf die
Bühne pustet. Und dadurch sehe ich dann halt meine Lichtstrahlen, aber auch meine Laser. Ja,
und das haben wir halt im All auch nicht. Das heißt, man würde also den Lichtstrahl überhaupt gar
nicht sehen. Ja, das ist so ein bisschen entmystifizierend. Ja, wir leben ja auch in
dieser Welt und nicht in der von Saber Rider und den Starshariffs. Ist vielleicht auch ganz gut.
[Musik]