Laser – ein Allround-Werkzeug

Laser lässt sich extrem bündeln, präzise fokussieren und fein dosieren. | Bild: NDR

Licht ist Energie und diese Energie ist, auf den Punkt gebracht, ein nahezu universell einsetzbares Werkzeug. Ein Laser schickt eine exakt definierte Energiemenge auf eine winzige, genau definierte Fläche. Diese ist oft nur wenige Tausendstel Quadratmillimeter groß. Dort erzeugt der Laserstrahl Wärmenergie. Die kann, wenn gewünscht, so extrem sein, dass der Strahl zentimeterdicke Metallplatten wie Butter durchschneidet. Dabei ist es egal, ob herkömmliches Eisen oder Panzerstahl unter dem Laser liegt. Er schmilzt oder verdampf das Material einfach. Da Laserstrahlen eine Form von Licht sind, lassen sie sich bündeln, mit Spiegeln umlenken, mit Linsen fokussieren oder durch Glasfasern leiten wie anderes Licht auch. Aber sie haben ungleich mehr Energie.

Der Ursprung des Laserstrahls

Laser ist die Abkürzung für: "light amplification by stimulated emission of radiation" – sinngemäß übersetzt mit: Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Um einen Laserstrahl zu erzeugen, wird im Inneren eines Gehäuses ein Medium mit Energie aufgeladen. Dieses Medium kann ein Gas sein, zum Beispiel CO2. Auch Feststoffe, wie bestimmte Kristalle, sind möglich. Das Medium wird zum Beispiel durch ein Magnetfeld aufgeladen. Dann wird es mit Photonen, also mit Licht, beschossen. Die aufgeladenen Teilchen des Mediums reagieren, sobald sie durch ein Photon getroffen werden, indem sie ihrerseits Lichtteilchen aussenden. Diese treffen im Medium wiederum auf benachbarte Teilchen und sorgen so dafür, dass weitere Photonen ausgesendet werden. Eine Kettenreaktion entsteht. Spiegel an beiden Seiten des Lasergehäuses verstärken den Effekt.

Der Beschuss mit Licht erzeugt also wiederum Licht. Mit einem entscheidenden Unterschied: Licht, das das Laser-Medium aussendet, hat nur exakt eine Wellenlänge. Es lässt sich fast ohne Leistungsverluste über Spiegel und Glasfasern führen und durch Linsen bündeln. Licht unterschiedlicher Wellenlängen würde von ein und derselben Linse unterschiedlich stark gebrochen. Der Laser hingegen macht aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen, energiereiches Licht mit nur einer definierten Wellenlänge. Er liefert die Energie für unterschiedlichste Anwendungen.

Modernes Brennglas

Das Medium im Laser sendet (grüne) Lichtteilchen aus, wenn es von außen energetisch aufgeladen und dann mit Licht beschossen wir. | Bild: NDR

Der Laserstrahl wird durch eine Linse im sogenannten Brennpunkt fokussiert. Bildlich gesprochen läuft der Strahl zu, wie ein angespitzter Bleistift. An dessen Spitze konzentriert sich die Energie des Lasers. Vor und hinter dem Brennpunkt hat der Laser deutlich weniger Wirkung, weil sich die Energie auf eine viel größere Fläche verteilt. Moderne Laser lassen sich so fein dosieren und fokussieren, dass sie zum Beispiel ein 3D-Objekt mitten in einen massiven Glaswürfel gravieren können. Der Strahl ist so eingestellt, dass er nur im Brennpunkt genug Energie aufbringt, um das Glas zu schmelzen. Bewegt man den Laser, kann man den Brennpunkt im Glaskörper frei "herumwandern" lassen und so dreidimensionale Gebilde ins Glas lasern.

Die perfekte Lieferung von Energie an einen bestimmten Punkt wird auch in der Medizintechnik genutzt. Etwa beim Augen-Lasern. Hier verdampft ein Laser Teile der Hornhaut des Patienten. Der Laser entfernt das Gewebe aber nur an genau berechneten Stellen. Er formt die Hornhaut regelrecht neu. Die Operation ist so exakt, dass die Hornhaut nach dem Eingriff als Korrektur-Linse vor der eigentlichen Linse im Augeninneren funktioniert.

3D-Drucke in Metallen

Laser werden auch in Metall-3D-Druckern eingesetzt. Dabei wird ein feines Metallpulver im Inneren des Druckers von einem Roboterarm gleichmäßig verteilt. Über diese glatte Fläche aus Metallstaub (Partikelgröße circa 1 bis 5 Hundertstel Millimeter) wandert der Laserstrahl und verschmilzt die Teilchen an vorher programmierten Stellen. Dann trägt der Roboterarm die nächste Schicht Metallstaub auf und der Laser verschmilzt beide. Schicht für Schicht entsteht ein Metall-3D-Druck, der so belastbar ist, wie ein massives Gussteil. Eine Gussform ist nicht erforderlich. Weiterer Vorteil: Die Ingenieure können im 3D-Druck Bauteile herstellen, die sich nicht gießen oder fräsen lassen. Bauteile zum Beispiel, die hohl sind und in ihrem Inneren Stützstrukturen oder bewegliche Teile haben. Im 3D-Druck kann man solche Elemente an Stellen entstehen lassen, an die man später nie wieder herankommt. Und alles geschieht in einem Arbeitsschritt. Die Techniker müssen nur eine Öffnung einplanen, durch die später das überschüssige Metallpulver herausrieseln kann. 3D-Druck in Kunststoff gibt es schon länger. Durch Laser sind nun auch 3D-Drucke in Metallen möglich.

Das wird auch die Medizintechnik revolutionieren. Knochenprothesen oder feinste Stents können passgenau und individuell für den jeweiligen Patienten gedruckt werden. Neben verschiedenen Stahlsorten verarbeitet der 3D-Laserdrucker auch Magnesium-Pulver. Es wird vom Körper langsam abgebaut. Damit entfällt eine zweite OP, um ein stützendes Implantat, wenn es nicht mehr gebraucht wird, wieder zu entfernen. Die Hoffnung der Entwickler ist sogar, dass der Körper das Magnesium-Implantat mit eigenen Zellen besiedelt und die Lücke langsam wieder schließt. Die Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Laserdrucks sind vielfältig. Ingenieure vom Laser Zentrum Hannover meinen, dass das große Potenzial des Lasers bei Technikern und Konstrukteuren noch nicht so bekannt ist. Diese greifen oft noch zu herkömmlichen Verfahren der Metallbearbeitung.

Unkrautbekämpfung per Laser

Missliebige Pflanzen werden per Bilderkennung identifiziert und dann mit einem "Laser-Schuss" abgetötet. | Bild: NDR

Eine der neusten Anwendungen von Laserstrahlen könnte sich in der Landwirtschaft etablieren: Unkrautbekämpfung per Laser. Die Idee klingt ein wenig nach Science-Fiction: Trecker werden mit Kameras bestückt, die den Boden scannen, und eine Bilderkennung identifiziert in Sekundenbruchteilen die Unkräuter zwischen den Nutzpflanzen. Das System meldet die Koordinaten der Unkraut-Pflanzen an eine Batterie von "Laserkanonen" am Heck des Treckers. Diese schießen dann gezielt auf die Wachstums-Spitzen der Unkräuter, veröden dort die Zellen und die Pflanzen sterben ab – Unkrautbekämpfung ohne Chemie also.

Je nachdem, wie das System programmiert wird, lässt sich das Wachstum der Pflanzen auch nur dämpfen, sodass sie mit drei bis vier Wochen Verzögerung wachsen. So liefern sie zwar noch Nektar und Pollen als Nahrung für Insekten, aber ihre Samen verteilen sich nicht mehr, weil das Feld vorher abgeerntet wird. Ebenso ist es möglich, nur die Unkräuter in unmittelbarer Umgebung der Nutzpflanzen zu beschießen. Denn dort herrscht direkte Konkurrenz um Sonnenlicht, Wasser und Nähstoffe. Pflanzen, die in etwas größerer Entfernung wachsen, könnten die Laser – je nach Programmierung – verschonen.

Laser gegen Bomben

Ein Laser schießt auf eine Bombe und bringt sie kontrolliert zur Zündung.  | Bild: NDR

Eine weitere Anwendung für Laser könnte die Entschärfung von Weltkriegsmunition sein. Kampfmittelräumdienste schätzen, dass in Deutschland noch rund 100.000 Blindgänger aus dem zweiten Weltkrieg liegen. Besonders Fliegerbomben mit Säurezünder gelten als gefährlich. Bei den Blindgängern löste dieser Langzeitzünder nicht aus. Doch Erschütterungen durch Entschärfungsversuche können den Zündprozess wieder in Gang setzten. Laser hingegen arbeiten berührungslos. Das Laserzentrum Hannover hat gemeinsam mit dem Kampfmittelräumdienst Hamburg ein neues Verfahren zur Bombenentschärfung entwickelt: Der Laser soll die Bombenhülle durchschneiden und dann den Sprengstoff kontrolliert anzünden. Es klingt wie eine selbstmörderische Idee. Aber sie funktioniert. Denn nur wenn der Zünder hohe Temperaturen und großen Druck erzeugt, detoniert das komplette TNT in einer Kettenreaktion. In der Bombenhülle staut sich der Druck für Millisekunden auf, vervielfacht die Sprengwirkung und zerstört dann alles im weiten Umkreis. Für die Wirkung der Bombe sind also der Zünder und die Metallhülle entscheidend.

Hier setzt der Laser an: Er schneidet die Hülle der Bombe in Längsrichtung ein, sodass die Kräfte sich bei einer Zündung nicht aufstauen können. Anschließend erhitzt der Laser den Sprengstoff, sodass dieser beginnt, zu brennen. Anders als von den Bomben-Konstrukteuren vorgesehen, kommt es dabei aber nicht zu einer Detonation, die sehr schnell abläuft, sondern nur zu einer Deflagration. Das ist eine Verbrennung, die relativ langsam abläuft. Es knallt zwar, aber es wird nur ein kleiner Teil des TNTs verbrannt. Diese "kleine Sprengung" führt dazu, dass die Bombenhülle aufreißt und der Zünder herausfliegt. Anschließend kann die Bombe gefahrlos abtransportiert und zerlegt werden.

Lichtpinzette als Werkzeug

Eine Laseranwendung im ganz Kleinen hat weniger mit der Wärmeenergie als viel mehr mit dem elektromagnetischen Feld der Laserstrahlen zu tun. Es kann dazu dienen, sehr kleine und leichte Teilchen unter dem Mikroskop zu fixieren und zu manövrieren. Die Laserphysiker Arthur Ashkin, Donna Strickland und Gérard Mourou bekamen für die Entdeckung und die Entwicklung der Licht-Pinzette 2018 den Physik-Nobelpreis. Sie haben Lichtstrahlen in Präzisionswerkzeuge verwandelt und damit das Anwendungsspektrum der Lasertechnik immens erweitert, hieß es zur Begründung.

Die Physiker fanden heraus, dass im Fokuspunkt von Lasern ein elektromagnetisches Feld herrscht. Es zieht leichte Partikel an, wie ein Magnet. So lassen sich zum Beispiel einzelne Zellen unter dem Mikroskop fixieren bzw. manövrieren. Sie "kleben" im Fokuspunkt des Lasers. Mechanisch sind Teichen, die nur Tausendstel Millimeter groß sind, kaum präzise zu handhaben. Mit der Licht-Pinzette als Werkzeug haben die Forscher völlig neue Möglichkeiten zur Verfügung.

Autor: Björn Platz (NDR)

Stand: 15.02.2020 17:32 Uhr