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Eines der wichtigsten Lasersysteme, welches insbesondere die Bereiche Industrie, Medizin und Vermessung seit Jahren geradezu dominiert, ist der CO2-Laser. Den Grundstein für diesen äußerst vielseitigen Gaslaser legten bereits im Jahr 1960, dem Geburtsjahr des Lasers, ein iranischer und zwei amerikanische Physiker, als sie mit einem Gaslaser auf der Basis von Helium und Neon den zweiten funktionierenden Laser überhaupt vorstellten. 

Das Prinzip des Gaslasers ist also schon lange bekannt - und tatsächlich lässt sich der CO2-Laser technisch nur noch in Details weiter verfeinern. Seine äußerst hohe maximale Leistungsfähigkeit und die sehr gute Anpassbarkeit der Laser-Intensität sowie sein vielen anderen Systemen überlegener Wirkungsgrad qualifizieren den CO2-Laser dabei für verschiedenste Anwendungen. Um die vielen nützlichen Eigenschaften des Kohlenstoffdioxid-Lasers, ebenso wie die Grenzen seiner Einsetzbarkeit, besser zu verstehen, lohnt sich zunächst ein Blick auf dessen Aufbau und Funktionsweise.

Der CO2-Laser

Wie jeder Laser basiert auch der CO2-Laser darauf, dass ein sogenanntes laseraktives Medium, in diesem Fall Kohlendioxid, durch äußere Energiezufuhr angeregt, in Fachsprache „gepumpt“, wird. Daraufhin laufen im Medium atomare Prozesse ab, welche unter Ausnutzung eines geschickten Geräteaufbaus letztendlich eine Kettenreaktion und damit die Emission von Laserlicht bewirken. Da man die verschiedenen Lasersysteme nach ihren laseraktiven Medien unterscheidet, bezeichnet man den CO2-Laser folglich als Gaslaser. In Abgrenzung dazu gibt es andere Systeme, welche zur Gewinnung des Laserlichts andere Materialien, beispielsweise Kristalle oder Halbleiter, energetisch anregen. 

Charakteristisch für den CO2-Laser ist neben seinem laseraktiven Medium außerdem die Art der energetischen Anregung. Wird bei anderen Lasern die benötigte Energie durch Lichtblitze, chemische Reaktionen oder sogar Laserlicht zugeführt, so wird der Kohlendioxidlaser mittels eines elektrischen Stromes gepumpt.

Bereits aus diesen Merkmalen lassen sich erste Vorteile eines Gaslasers ableiten. So ist das laseraktive Medium, hier also einfach Gas oder ein Gasgemisch, im Regelfall einfach und kostengünstig zu beschaffen. Zudem sind Kohlendioxidlaser seit langer Zeit erprobt und erfolgreich im Einsatz, dementsprechend überschaubar gestalten sich die einzukalkulierenden Folgekosten.

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Darüber hinaus lässt sich wesentlich leichter (als beispielsweise beim Festkörperlaser) ein großes Volumen des laseraktiven Materials realisieren, indem man einfach das Behältnis dafür groß genug dimensioniert und entsprechend viel Gas einströmen lässt. Da dieses Volumen direkten Einfluss auf die erreichbare Intensität des Lasers hat, zeichnen sich hier bereits hohe erreichbare Leistungen ab. 

Ferner zeichnet sich der Kohlendioxidlaser durch einen beachtlich hohen Wirkungsgrad von 15% bis 20% aus, was bedeutet, dass bis zu 20% der zur Lasererzeugung zugeführten elektrischen Energie auch tatsächlich in Form von Laserlicht nutzbar gemacht werden. Andere Lasertypen erreichen hier teilweise bedeutend schlechtere Ergebnisse.

Aufbau & Funktionsweise des CO2-Lasers 

Zur praktischen Umsetzung dieses anscheinend erfolgversprechenden Prinzips wird ein zylindrisches Gefäß befüllt, das äußerlich einer typischen Leuchtstoffröhre ähnelt, mit einem Gasgemisch, welches aus jeweils 10% bis 20% molekularem Stickstoff (N2) und Kohlendioxid (CO2) sowie über 50% Helium besteht. An den beiden Enden dieses Gefäßes, das  aufgrund seiner Funktion als optischer Resonator bezeichnet wird, befinden sich Spiegel, von denen einer teilweise durchlässig ist. Außerdem befinden sich an den beiden Enden dieser gasgefüllten Röhre elektrische Kontakte, sodass sich auf Knopfdruck eine Spannung zwischen diesen Kontakten herstellen lässt.

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Wenn jetzt die Laseremission gestartet werden soll, so wird lediglich der Schalter geschlossen, woraufhin eine Spannung zwischen den Enden des Resonators anliegt. Daraufhin fließt ein elektrischer Strom durch das Gasgemisch, welcher diese zugeführte elektrische Energie teilweise, in Energiepaketen ganz bestimmter Größe, auf die Stickstoffmoleküle überträgt. Diese fangen daraufhin an zu schwingen, womit sie die neue Energie gewissermaßen speichern. 

Da sich alle Teilchen des Gases pausenlos rasend schnell und ungeordnet durch die Röhre bewegen, kommt es permanent zu Zusammenstößen einzelner Moleküle. Genau hier kommen auch die CO2-Moleküle ins Spiel. Sobald ein angeregtes Stickstoff-Molekül mit einem der CO2-Moleküle kollidiert, gibt es eine bestimmte Portion seiner Energie an dieses ab. Nun hat das CO2-Teilchen neue Energie aufgenommen und fängt seinerseits an zu schwingen. Dieser Zustand hält jedoch nur höchstens eine Millisekunde an, bevor das Molekül von alleine aufhört zu schwingen. Dabei wird dann die Energie, welche zuvor in der Schwingung gespeichert war, in Form eines Lichtteilchens wieder freigesetzt. Dieses Lichtteilchen, genannt Photon, breitet sich gradlinig in eine Richtung aus und entspricht obendrein einer ganz bestimmten Lichtfarbe. Trifft dieses Photon jetzt auf ein weiteres, durch eine Kollision mit einem Stickstoffmolekül angeregtes CO2-Teilchen, so entlockt es diesem ein neues Photon, welches genau die gleichen Eigenschaften hat wie das erste. Somit sind jetzt zwei Photonen in exakt derselben Richtung auf dem Weg durch das energetisch angeregte Gasgemisch, welche erneut mit angeregten CO2-Molekülen kollidieren werden und somit die Photonen-Ausbeute weiter steigern. 

Um diesen lawinenartigen Effekt zu maximieren, befinden sich die Spiegel an beiden Enden der Röhre. Mit ihnen kann erreicht werden, dass der Lichtstrahl aus völlig identischen Photonen auf seinem Weg zwischen den Spiegeln wieder und wieder durch das Gasgemisch läuft und dabei stetig neue Photonen aus den angeregten Teilchen herausschlägt. In Folge dieser Kettenreaktion erhält man das höchst intensive Laserlicht, welches dann durch den teildurchlässigen Spiegel an der einen Seite des optischen Resonators austritt. 

Dafür, dass dieser Vorgang der Photonengewinnung im Gasgemisch stetig fortlaufen kann, ist das beigemischte Helium von großer Bedeutung. Bei der Kollision mit den CO2-Teilchen geben die angeregten Stickstoff-Moleküle ihre durch den Strom zugeführte Schwingungsenergie nämlich nur teilweise an diese ab, einen Teil der Schwingungsenergie behalten sie auch nach dem Zusammenstoß. Um erneut gepumpt werden zu können, muss der Stickstoff aber zunächst auf sein energetisches Normalniveau zurückkehren. Das erreicht er, indem er mit den Helium-Atomen zusammenstößt. Diese nehmen die überschüssige Energie auf, sodass das Stickstoff-Molekül energetisch auf normalem Niveau ist und erneut gepumpt werden kann. Dem kontinuierlichen Laserstrahl steht also vorerst nichts mehr im Wege. 

Kühlung und Gasaustausch 

Unter den beschriebenen Voraussetzungen käme es beim Dauerbetrieb jedoch durchaus zu Problemen. Einerseits erwärmt sich das Gas im Resonator durch die ständige Energiezufuhr unter Umständen sehr stark und muss gegebenenfalls gekühlt werden, andererseits reagieren einzelne Moleküle während der Lasererzeugung chemisch miteinander, sodass im Ergebnis neue, nicht vorgesehene Moleküle das Gasgemisch verunreinigen. 

Kohlendioxidlaser mit vergleichsweise niedriger Leistung kommen teilweise ohne aktive Kühlung aus. Bei ihnen genügt bereits die Wärmeabgabe an die Außenwand des Resonators, damit das System zuverlässig funktioniert. Die ungewollten, durch chemische Reaktionen entstandenen Moleküle wie beispielsweise O2 und CO, kann man in diesem Fall dadurch beseitigen, dass man dem Gasgemisch etwas Wasserdampf beifügt. Dieser beeinflusst die ablaufenden Reaktionen derart, dass die Anzahl der ungewollten Reaktionsprodukte reduziert wird. Bei solchen abgeschlossenen CO2-Lasern wird das Gasgemisch in der Regel nur während der Wartungszyklen ausgetauscht. 

CO2-Laser mit höherer Leistung verfügen typischerweise über einen durch eine Pumpe betriebenen Kreislauf, welcher das Gasgemisch ständig erneuert. Damit entledigt man sich einerseits der bereits besprochenen, störenden Reaktionsprodukte im Gemisch, andererseits ist das Abpumpen des stark erhitzten Gases eine ideale Möglichkeit der Kühlung.

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