Der Schweißlaser

Viele wollen ihn, viele haben ihn - was aber bringt er wirklich, was kann er und was nicht? Und vor allem: Rechnet sich so ein Hightechgerät überhaupt, ist es für den Normalanwender nicht zu teuer, amortisiert sich die Anschaffung überhaupt? Die Verkäufer schildern sie in den rosigsten Farben, versprechen das Blaue vom Himmel und wecken große Hoffnungen. Berechtigt?

So ein moderner Schweißlaser ist schon eine tolle Sache, wirklich! Als man noch die Räume mit Talglichtern oder Kienspänen beleuchtete, konnte sich bestimmt keiner vorstellen, dass mit genau solchem Licht das da trübe über die Wände geisterte, einmal Löcher gebohrt, Metalle geschweißt, Nachrichten übermittelt, Entfernungen gemessen, operiert, ja sogar Weltraumfahrzeuge angetrieben werden könnten. Einer der Ersten der sich über die Arbeitsleistung des Lichtes Gedanken machte, war, wer könnte es schon anders gewesen sein, Leonardo da Vinci.

Leonardo da Vinci hatte den revolutionären Gedanken, Kupferbleche für einen großen Parabolspiegel, der als Sonnenreflektor eingesetzt werden sollte, mittels gebündeltem Sonnenlicht zu verschweißen. Da man damals das erforderliche Kupferblech in Ermangelung von Walzwerken nicht in der erforderlichen Größe herstellen konnte, hatte er den Einfall, den Spiegel aus einzelnen Blechstreifen zusammen zu setzen und diese zunächst zu vernieten. Zur Herstellung des erforderlichen Kupferbleches, hatte er eigens eine Blech-Ziehmaschine konstruiert, da moderne Blechwalzen damals noch nicht existierten. Diese Blechstreifen sollten auf einen hölzernen Untergrund montiert und poliert werden. Mittels reflektierter und gebündelter Sonnenenergie, verschweißte Da Vinci dann tatsächlich zwar kein Kupfer, wohl aber erfolgreich die gesamte Bleieindeckung eines Kirchendaches in Venedig. Somit darf Leonardo als der Erfinder des Schweißens mittels Strahlungsenergie betrachtet werden. Wohlgemerkt, in einer Zeit, als die Hexenverbrennungen noch in frischer Erinnerung waren und Amerika gerade eben erst entdeckt war! (Die Originalunterlagen Da Vincis finden Sie in Paris)

Leonardo da Vinci blieb lange der Einzige, der sich mit diesem Problem erfolgreich befasst hatte. Erst in den frühen 50er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts hat sich ein Amerikaner wieder Gedanken über dieses Thema gemacht. Da bekannt war, dass das weiße Licht die Summe aller Farben ist, aber halt, ich bin zu schnell, zuerst einmal etwas über Licht und Wellen:

Licht ist zumindest teilweise als Welle zu verstehen. Es tritt es auch in Form von Quanten auf und entwickelt sogar mechanische Energie. (Sehr schön zu beobachten an einer sogen. Lichtmühle, einem luftleeren Glaskolben, in welchem ein Rotor angebracht ist. An den Enden des Rotors befinden sich Glimmerplättchen, die auf jeweils der gleichen Seite mit einer Kerze angerußt sind, so dass das Licht absorbiert wird. Die andere Seite bleibt blank und reflektierend. Bestrahlt man nun die Lichtmühle mit Sonnen- oder Lampenlicht, dreht sich der Rotor durch die einfallende mechanische Kraft des Lichtes.) Hier beschäftigen wir uns jedoch mit der Lichtwelle, die verantwortlich für die Farben ist.

Was ist das eigentlich, Farbe? Eine elektromagnetische Welle, und dazu gehört auch das Licht, beginnt bei Null, (man spricht von "Sinus Null" steigert ihre Kraft bis sie den Zenith ihrer Leistung erreicht hat, fällt wieder ab und erreicht schließlich wieder den Nullpunkt, überschreitet ihn und bildet nun den entgegengesetzten, negativen Bereich spiegelbildlich aus. Nach Erreichen des Zeniths und des anschließenden Nullpunktes, beginnt der Vorgang von neuem. Hierbei spricht man von einer Sinusbewegung. Dieses Prinzip der Wellenbewegung ist immer gleich, ob wir uns Wasser betrachten, in welches man einen Stein geworfen hat und in dem sich nun die Wellen kreisförmig ausbreiten, oder ob wir uns eine Funkantenne als Beispiel nehmen. Bei letzterer, dehnen sich die Wellen allerdings kugelförmig aus (wenn man die Antenne als Punkt betrachtet), da im Gegensatz zur Wasseroberfläche, eine weitere Dimension dazugekommen ist. Auch Licht breitet sich so aus. Die Länge einer kompletten Welle, also von Null + bis Null - , wird als Lambdalänge bezeichnet, die Höhe der Welle, und damit ihre Leistung, als Amplitude. Starkes Licht hat eine hohe Amplitude, schwaches, eine flache. Jede Lambdalänge stellt eine andere Farbe dar. Infrarot und Rot, sind die langwelligsten Farben, Violett und Ultraviolett die kurzwelligsten ( Es handelt sich jeweils um die Grenzbereiche des sichtbaren Lichtes). Alle anderen sichtbaren Farben, haben jeweils eine eigene Wellenlänge. Da das weiße Licht die Summe aller Farben darstellt, kann man weißes Licht in einem Glasprisma aufspalten, es zerfällt wieder in die einzelnen Spektralfarben. In der Natur ist und diese Erscheinung als Regenbogen bekannt. Da sich bei weißem Licht kurze und lange Wellen überschneiden, (Phasenverschiebung) kommt es zwangsläufig zu erheblichen Energieverlusten, da sich gegenüberstehende Kräfte stets ausgleichen (Prinzip Balkenwaage). Daraus folgt, dass monochromes, also einfarbiges Licht energiereicher ist, als weißes. Da die Lichtwellen normalerweise nicht polarisiert sind, sich die einzelnen Wellenbewegungen also nicht senkrecht, sondern in allen Winkelgraden eines Kreises abspielen, ergibt sich aus dieser Eigenschaft ein weiterer Kräfteverlust, was einen denkbaren Wirkungsgrad anbetrifft. Dazu kommt, dass Licht normalerweise nicht parallel gerichtet, sondern diffus auftritt, was eine weitere Zersplitterung des Energiegehaltes zur Folge hat. Was aber kam danach?

Wir kehren zurück zu Leonardo da Vinci: Er blieb lange der Einzige, der sich mit diesem Problem überhaupt erfolgreich befasst hatte. Erst in den frühen 50er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts erfolgte in Sachen Licht ein neuer Quantensprung!

Ein Amerikaner hatte sich in einem wissenschaftlichen Artikel Gedanken über das Thema Licht und Leistung gemacht. Da bekannt war, dass das weiße Licht die Summe aller Farben ist, und außerdem die Polarität des Lichtes vielfältig ist, stand für ihn außer Zweifel, dass im Licht sehr viel mehr Energie stecken musste, als normalerweise wahrnehmbar ist. Das brachte ihn nun wiederum auf folgenden Gedanken: Wenn man das Licht sozusagen "transformieren", also polarisiert auf eine einzige Wellenlänge, auf eine einzige Farbe bringen könnte, dann müssten sich zwangsläufig infolge der dann nicht mehr vorhandenen Phasenverschiebung der Einzelfrequenzen des Lichtes, also der einzelnen Farben, der Energiegehalt des Lichtes extrem erhöhen.

Bekanntlich heben sich Plus- und Minuskräfte gegeneinander auf, wenn sie gleichzeitig auftreten. Und genau das musste in weißem Licht ja der Fall sein! Wenn nun, so führte er weiter aus, die Lichtquelle monochrom und stark genug gebündelt wäre, und noch dazu parallel, also gleichgerichtet, dann sollte sich, so vermutete er, eine starke Erhitzung der Stelle einstellen auf die ein solcher Lichtstrahl aufträfe. Die entstehende Energie könnte, so mutmaßte er, ausreichen um Metalle zu schweißen, oder sogar Kanonen ersetzen. Diese Gedanken veröffentlichte er in einem Aufsatz, den die bekannteste wissenschaftlichen Zeitung der Vereinigten Staaten von Amerika, anfangs der 50er Jahre des vorigen Jahrhunderts brachte. Der Aufsatz schlug ein wie eine Bombe! Weite Teile der wissenschaftlichen Welt waren von dieser Idee fasziniert, und es setzte ein Wettlauf sondergleichen ein. Jeder wollte die Idee der Lichttransformation als Erster umsetzen.

Nun hatten man bereits früher beobachtet, dass bestimmte Minerale fluoreszieren. Fluoreszieren ist sinngemäß eine solche Transformation des Lichtes, d.h. z.B. ein mit unsichtbarem UV-Licht bestrahltes Mineral "transformiert" das Licht auf eine für uns sichtbare Frequenz herunter, der Gegenstand beginnt zu leuchten, zu fluoreszieren. Es war auch längst bekannt, dass manche Stoffe Lichtenergie speichern können, etwa Leuchtfarben. Bei ihnen erfolgen sogen. Quantensprünge, es werden durch eingeleitete Energie, Elektronen auf höhere Umlaufbahnen katapultiert. Beim Herunterfallen auf die ursprüngliche Ebene, wird die gespeicherte Energie in Form einer Leuchterscheinung wieder abgegeben. Ein bei jedem zweiten Lichtschalter angewendetes Prinzip, damit man die Taster im Dunkeln findet.

Man begann nun zunächst mit solchen Materialien zu experimentieren und hatte unerwartet schnell Erfolg. Als ein wegen des besseren Lichtaustrittes plangeschliffener und mit einer gewendelten Blitzlampe versehener Rubinstab beleuchtet wurde, zeigten sich an den beiden Enden des Stabes kräftige Leuchterscheinungen. Da diese aber den Kristall zu beiden Seiten verließen und auch noch viel zu schwach waren, verspiegelte man zunächst ein Ende, um das Licht nur an einer Seite entweichen zu lassen. Da auch dies nicht den gewünschten Erfolg brachte, verspiegelte man das andere Ende auch noch, allerdings nicht so stark. Der dahinterstehende Gedanke war folgender: Wenn das in den Rubinstab eingeleitete Licht am Austritt durch die Spiegel gehindert würde, wäre es in dem Kristall eingefangen, da beide Spiegel es fortwährend reflektierten. Wären diese Spiegel nun ganz genau parallel zueinander ausgerichtet, müsste das im Rubinstab hin und her reflektierte Licht in sehr hohem Prozentsatz parallel gerichtet werden. Da zu gleicher Zeit aber durch die kräftige Lampe noch weiteres Licht in den Kristall "gepumpt" würde, müsste der Energiegehalt kräftig ansteigen. Erst beim Erreichen der Leistungsgrenze des schwächeren Spiegels könnte das bis dahin aufgestaute Licht, explosionsartig sein Gefängnis verlassen. Ein Einfall der die Welt verändern sollte!

Aber etwas Glück gehört auch dazu!

Der Glücksfall, der Schlüssel zum Laser, war folgender. Eines der im Rubin befindlichen Elemente, war in der Lage Quantensprünge auszuführen! Seine Atome wurden durch das zugeführte Licht mit Energie beladen, genau wie unser leuchtender Lichtschalter! Allerdings entlud sich der Kristall in einer einzigen Kettenreaktion und kaum noch messbarer Zeit! Der aus diesem Experiment hervorgegangene Rubinlaser, war die Sensation der Fünfziger Jahre. Bis er aber auf den heutigen Stand weiterentwickelt war, vergingen noch viele Jahre, wenngleich sich am Prinzip nichts geändert hat.

Unsere heutigen Festkörper- Schweißlaser, bestehen im wesentlichen aus folgenden Komponenten: Zunächst der Laserstab, in unserm Fall ein YAG - Kristall (Yttrium-Aluminium-Granat). Das Material enthält eine genau festgelegte Menge Neodynium, die für die Energiespeicherung notwendig ist. Hinter und vor dem Laserstab sind zwei einstellbare und auswechselbare Spiegel angebracht. Sie sind, wie oben ausgeführt, von größter Wichtigkeit. Neben dem Laserstab befindet der Beleuchtungskörper, eine Hochleistungs- Blitzlampe. Wie Sie sich denken können, reicht eine Blitzlampe allein nicht aus! Die schon erwähnte Blitzlampe für das "Pumplicht" und sämtliche anderen Resonatorbestandteile, befinden sich in einem vergoldeten, hochglanz- polierten Hohlraum (Kavität), der die Form einer Ellipse hat. An den beiden Brennpunkten sitzen Laserstab und Lampe. Um die erforderliche Gleichmäßigkeit der Beleuchtung zu erreichen, ist zwischen Lampe und Laserstab ein Streuglas platziert.

Damit die ganze Angelegenheit nicht zu warm wird, denn hier werden gewaltige Energien frei, ist das System mit Kühlwasser gefüllt. Wird die Lampe gezündet, kann das Licht den Hohlraum nicht verlassen. Da der Laserstab im zweiten Brennpunkt des ellipsoiden Hohlkörpers sitzt, wird das Licht von ihm aufgenommen und beginnt nun wie schon ausgeführt, zwischen den beiden Spiegeln hin und her zu pendeln. Mit dem Erreichen einer bestimmten Energiedichte, werden die Atome des Neodyniums im Laserstab angeregt, es werden Elektronen auf höher gelegene Schalen katapultiert, ein Vorgang, der mit einer erheblichen Energieaufnahme verbunden ist. Auf diese Weise wird die immer noch zuströmende Energie gespeichert. Wenn alle Atome "beladen" sind, steigt der freie Energiegehalt weiter an. In der Folge kommt der sogen. Auskoppelspiegel an seine Leistungsgrenze und wird durchlässig. Gleich einem Dammbruch, verlässt nun alle vorhandene Energie in Form einer Kettenreaktion den Laserstab.

Gesamte innere Laserbahn mit Spiegeln, Shutter, Strahlaufweitungsoptik, Focussierung, Zahnriemen und Schrittmotor. Im Vordergrund, Anschluss für das 15-fache Arbeits-Mikroskop.

Urheber: Ulrich Wehpke

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