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LASER - Was ist ein Laser




Inhaltsverzeichnis

·         Was ist ein Laser ?

·         Wie erzeugt ein Laser ein 'Lichtbündel ?'

·         So schaukelt sich der Laser selbst auf



·         Die Entwicklung des Laser

·         Der erste Laser

·         Die verschiedenen Laserarten

·         Die Anwendung des Laser - Vom Diamantbohrer zur Laserkanone

·         Der Laser als Waffe

·         Die 'friedliche' Anwendung des Laser

·         Der Laserdrucker

·         Das CD-ROM-Laufwerk

Was ist ein Laser ?



Ein Laser ist grob gesagt ein 'Energieumwandler für elektromagnetische Schwingungen im Bereich der Lichtwellen'. Ein Laser strahlt Licht aus.

In Grundzügen kann man die Funktionsweise eines Lasers mit der einer Glühlampe vergleichen:
Dem Glühfaden der Glühlampe wird elektrische Energie zugeführt. Die Metallatome des Glühfadens laden sich mit dieser Energie auf, d.h. sie treten in einen höheren Energiezustand und geben diese Energie in Form von Lichtteilchen (sogenannten Quanten oder Photonen) wieder ab. Danach kehren sie in ihren energieärmeren Zustand zurück.
Jedes Atom sendet bei dieser Energieänderung seine Photonen unabhängig von den anderen Atomen aus. Ergebnis: Es entstehen Lichtwellen mit ganz unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen). Diese Frequenzen nehmen das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes ein. Das Gemisch aller Farben im Bereich des sichtbaren Lichtes empfindet unser Auge als weiß. Die Glühlampe erzeugt durch die Energiezufuhr Lichtwellen, die sich nach allen Seiten ausbreiten, ganz im Gegensatz zum Laser.


Der erste Unterschied zwischen Glühlampe und Laser besteht darin, daß der Laser ein (nahezu) paralleles Lichtbündel erzeugt (d.h. alle Lichtstrahlen werden in die gleiche Richtung ausgesendet), das nur aus einer einzigen Farbe besteht (es ist 'monochromatisch'). Die Wellenlänge dieses vom Laser ausgesandten Lichtbündels variiert von infrarot bis ultraviolett. Die einzelnen Wellen dieses parallelen Lichtbündels schwingen zusammenhängend (sie sind 'kohärent'). Die Intensität der Strahlung ist zudem viel höher als bei normalem Mischlicht.



Wie erzeugt ein Laser ein
'Lichtbündel' ?


Ein bestimmter Stoff, z.B. ein Rubinkristall, wird durch Bestrahlung von außen dazu angeregt, seinerseits besonders starke Lichtwellen auszusenden. Durch diese Eigenschaft hat das Verfahren auch seinen Namen:
LASER ist die Abkürzung für 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation', was übersetzt 'Lichtverstärkung durch künstlich angeregte Aussendung von Strahlung' bedeutet.
In einem Rubinlaser ist eine sehr helle Quecksilberdampflampe installiert. Der Rubinkristall wird von dieser Lampe 'umschlossen'. Mit der Quecksilberdampflampe werden sehr helle Lichtblitze erzeugt.


Durch dieses Blitzlicht werden die im Rubinkristall enthaltenen Chromatome mit Energie aufgeladen.
Diese aufgeladenen Chromatome geben nun Photonen ab, die sich in Richtung auf die beiden Enden des Rubinkristalls in Bewegung setzen. Die eine Seite des Rubinkristalls ist vollverspiegelt, die andere Seite ist teilverspiegelt. Die 'abgeschossenen' Photonen prallen nun auf die Verspiegelungen am Ende des Kristalls und werden 'zurückgeschleudert'. Dieses Verfahren wird 'optisches Pumpen' genannt. Es entsteht eine Art Kettenreaktion: Immer mehr Chromatome werden angeregt, ihre Photonen (Lichtquanten) abzugeben. Dadurch fliegen weitere Lichtteilchen durch den Rubinkristall. Der Lichtstrahl wird immer mehr verstärkt. Wenn der Strahl eine bestimmte Kraft (Intensität) erreicht hat, 'schießt' er durch die teilverspiegelte Strinfläche als dunkelroter (beim Rubinlaser), gleichschwingender Lichtstrahl nach außen.



So schaukelt sich
der Laser selbst auf


In einem normalen Material, zum Beispiel einem Gas, befinden sich fast alle Atome oder Moleküle im Grundzustand. Nur wenige Teilchen, die zufällig durch einen Stoß oder ein einfallendes Photon angeregt wurden, sind in einem höheren Energiezustand. Am Gesamtzustand des Materials ändert das praktisch nichts.
Wird das Gas mit Energie 'vollgepumpt', befinden sich fast alle Teilchen im angeregten Zustand. Man nennt dies eine 'Inversion'. Sie fallen nach einiger Zeit wieder spontan in den Grundzustand zurück und senden dabei jeweils ein Photon aus - unregelmäßig und nach beliebigen Richtungen: Das Gas leuchtet wie in einer Neonröhre.
In Laser wird die Inversion gezielt 'abgeräumt': Die Spiegel an den Enden (der rechte ist halbdurchlässig) werfen die abgegebenen Photonen hin und her - sie treffen auf angeregte Teilchen und regen diese zur Abgabe weiterer Photonen an. Nur die, die senkrecht zu den Spiegeln fliegen, werden verstärkt, alle anderen entweichen seitlich.


Die Stärke eines solchen Laserstrahls variiert von Bruchteilen eines Milliwatt bis zu gewaltigen Megawatt-Lasern (1 Megawatt = 1000 Kilowatt) des Militärs.
Es gibt zwei unterschiedliche 'Austrittsarten' eines Lasers. Zum einen wäre da der 'Impulslaser' ('gepulster Laser') zu nennen, der seine Energie in kurzen Lichtbündeln 'abschießt'. Auf der anderen Seite gibt es den 'Dauerstrichlaser', der kontinuierlich ein Lichtbündel aussendet.
Das aktive Medium eines Lasers kann ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein.



Die Entwicklung des Laser



Vom Maser zum Laser

Bereits im Jahre 1917 erklärte der Physiker Albert Einstein, daß ein 'Aufladevorgang' (Physiker nennen das eine 'Induzierte Emission'), wie er beim später entwickelten Laser stattfindet, möglich sein müsse.
Die Wissenschaftler R. Ladenberg und H. Kopfermann verwendeten bei ihren 'Aufladeversuchen' im Jahre 1927 verschiedene Gase.
Die erste Lichtverstärkung gelang dem sowjetischen Physiker W.A. Fabrikant im Jahre 1940. Der nächste Schritt in der Laserentwicklung gelang dem deutsch-französischen Physiker Alfred Kastler 1950. Er entwickelte das System des 'optischen Pumpens': Kastler bestrahlte Atome mit Licht solcher Frequenz, das von den Atomen absorbiert ) werden konnte. Die Atome gerieten in einen höheren Energiezustand und gaben das 'aufgesaugte' Licht dann verstärkt ab. Kastler machte einen Teil seiner Versuche mit sichtbarem Licht, experimentierte zusätzlich aber auch mit Radiowellen.
Die durch die Bestrahlung mit Radiowellen erfolgte Mikrowellenverstärkung wurde später unter der Bezeichnung MASER bekannt. MASER ist die Abkürzung für 'Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation', was übersetzt 'Mikrowellenverstärkung durch künstlich angeregte Aussendung von Strahlung' bedeutet. Heutzutage wird der Maser hauptsächlich beim Nachrichtenverkehr mit Erdsatelliten, in radioastronomischen Empfangsanlagen und bestimmten Richtfunkanlagen als Verstärker verwendet. Der Maser wird zusätzlich auch für den Betrieb von Atomuhren und als Generator für Millimeterwellen verwendet.
Verantwortlich für die Entwicklung des Masers waren u.a. die amerikanischen Physiker Charles Hard Townes, Arthur Leonard Schawlow und H.J. Zeiger. Sie beschäftigten sich, von der Radartechnik ausgehend, mit dem Bau von Mikrowellenlasern.
Das Maser-Prinzip wurde 1951 von Townes formuliert. Townes verwendete Ammoniakmoleküle. Er bestrahlte diese Moleküle mit einer Mikrowelle, deren Frequenz mit der Eigenfrequenz der Ammoniakmoleküle übereinstimmte.
Durch diese Bestrahlung wurden die Moleküle in einen höheren Energiezustand versetzt, die ihre Strahlung dann wieder verstärkt abgaben. Es entstand also eine Mikrowelle mit sehr hoher Intensität. Im Jahre 1953 war dann auch der erste in den USA entwickelte Gasmaser fertig.
Zeitgleich wurde auch in der Sowjetunion fieberhaft am Maser-Prinzip gearbeitet. Die Experimentierergebnisse der Russen waren den Amerikaner sehr hilfreich bei ihrer eigenen Maserentwicklung. Die Entwicklung des Masers ging aber noch weiter. Townes entwickelte nach seinem Gasmaser Ende der fünfziger Jahre den ersten Festkörpermaser als Molekularverstärker.
1957 entwickelten auch die Wissenschaftler in der UdSSR den ersten Festkörpermaser. Während dieser Zeit war Townes in den USA an der Columbia-Universität schon mit der Laserentwicklung beschäftigt.



Der erste Laser



Seit 1957 hatte Townes die Idee, im Maser statt Mikrowellenbestrahlung eine Lichtbestrahlung zu verwenden. Diese erste Theorie des Lasers, die 1958 erschien, wollte Townes sich nun patentieren lassen. Dabei gab es allerdings ein Problem für ihn: Der Atomphysiker Gordon Gould hatte sich ebenfalls mit der Theorie eines Lasers beschäftigt und bereits 1957 Aufzeichnungen über seine Versuche beim Notar hinterlegt. Es kam zu einem endlosen Rechtsstreit, der erst 1977 mit einem Teilerfolg für Gould endete. Doch war es eben nur ein Teilerfolg, denn bereits 1960 wurde der Laser für Townes und Schawlow patentiert - oder besser gesagt: die Laseridee. Denn bis jetzt war es eben eine bloße Theorie, gebaut wurde der Laser bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht.
Zahlreiche Forscher 'stürzten' sich auf das Laser-Projekt. Der erste funktionierende Rubinlaser wurde jedoch nicht von einer großen Universität entwickelt sondern vom amerikanischen Physiker Theodore Harold Maiman in einem kleinen Nebenlabor der Hughes Aircraft Company. Dieser Rubinlaser wurde 1960 präsentiert, im gleichen Jahr also, in dem das Patent an Townes und Schawlow vergeben wurde.





Die verschiedenen Laserarten



Heutzutage gibt es drei Typen von Lasern, die den Markt 'beherrschen'.
Neben dem Festkörperlaser, den Maiman mit seinem Rubinlaser verwirklicht hatte, gibt es noch den Gaslaser und den Halbleiterlaser.
Die drei Laser unterscheiden sich in der Art des aktiven Mediums, also des Teils, der mit Energie 'vollgepumpt' wird und in der Art und Weise der Anregung.
Als aktives Medium im Festkörperlaser eignen sich bestimmte Kristalle oder Glas, die mit lichtverstärkenden Atomen angereichert sind. Als Beispiel ist hierbei der Rubinkristall zu nennen, der Spuren von Chrom enthält.
Der bekannteste Festkörperlaser ist der Rubinlaser, der ein rotes Laserlicht ausstrahlt.

Neben dem Rubinlaser ist in erster Linie der Neodym-Glaslaser (Aluminiumoxidkristall) zu nennen, in dessen Glas (dem Feststoff) ca. 1% Neodym-Ione eingeschlossen sind. Der Neodym-Laser sendet ein infrarotes Licht aus.
Ein weiterer Laser, der mit einem Festkörper als aktivem Medium arbeitet, ist der Yttrium-Aluminium-Granat-Laser, abgekürzt YAG-Laser.
Festkörperlaser gehören zur Gruppe der Impulslaser, die durch intensive Lichtblitze (z.B. durch eine Quecksilberdampflampe) angeregt werden und ihrerseits dann wiederum verstärkte Lichtblitze aussenden. Einsatzgebiete des Festkörperlasers sind z.B. das Bohren sehr kleiner Löcher, das Schneiden, Schmelzen und Verdampfen. Bei mehrstufiger Verstärkung und Energiespeicherung wird aus dem Festkörperlaser ein Riesenimpulslaser, mit dem eine Ausgangsleistung von ca. 100 Millionen Kilowatt erreicht werden kann.
Dieser 'Riesenenergieschub' steht aber nur für den Bruchteil einer Millisekunde zur Verfügung.

Der nächste Laser ist der sogenannte Gaslaser.
Gaslaser enthalten als aktives Medium ein Edelgas, Metalldämpfe oder Molekülgase.
Angeregt wird das Gasmedium durch optisches Pumpen (= Lichtblitze) oder durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung, die dann, ähnlich wie in einer Neonröhre (Leuchtstoffröhre), die Gasentladung erzeugt.
Der Gaslaser gehört in die Gruppe der Dauerstrichlaser.
Ein Gaslaser ist z.B. der Helium-Neon- oder der Argonlaser. Der Helium-Neon-Laser sendet ein rotes Licht aus, während der Argon-Laser ein blaues bis grünes Licht aussendet.
Eine wesentlich höhere Leistung als diese beiden Laser hat der Kohlendioxidlaser (CO2-Laser), der ein infrarotes Licht aussendet. Der Kohlendioxidlaser wird vor allem für energieaufwendige Schneideaufgaben verwendet. Die leistungsschwächeren Gaslaser werden dagegen häufig in Präzisionsgeräten für berührungsfreies Messen eingesetzt. Das Einsatzgebiet reicht dabei z.B. von der Dickenkontrolle von Walzblech bis zur Überwachung der Schwebehöhe von Magnetschwebebahnen.
Die ersten Gaslaser gab es 1961. Sie wurden von den drei Physikern A.Javan, W.R.Bennett und D.R.Herriott entwickelt.

Die einfache Gasentladung im Laser dauert nur sehr kurze Zeit. Aus diesem Grund ist ein Gaslaser meistens ein 'Impulslaser', der kurze Lichtstöße aussendet. Man kann jedoch mit starken Radiowellen aus dem Impulslaser einen Dauerstrichlaser machen.

Als dritte Lasergruppe ist die Gruppe der Halbleiterlaser zu nennen.
Die ersten Halbleiterlaser wurden 1962 erprobt. Das aktive Medium ist in diesem Fall ein Halbleiterkristall, z.B. aus Gallium-Arsenid (GaAs-Laser). Dabei macht man sich den Positiv-Negativ-Übergang (pn-Übergang) des Halbleiters zu nutze. Positiv-Negativ-Übergang bei Halbleitern bedeutet grob gesagt folgendes:
Liegt der n-Halbleiter am Minuspol und der p-Halbleiter am Pluspol, so kann ein Strom fließen; wird die Polung vertauscht, so wird der Stromfluß unterbrochen.
Betrieben werden kann der Halbleiterlaser mit Gleichstrom. Diese Eigenschaft ist entscheidend für den Einsatz des Halbleiterlasers in der Nachrichtenübertragung (als Laserdiode).
Ein großer Vorteil des Halbleiterlasers ist die Möglichkeit, ihn ohne Konstruktionsprobleme nur staubkorngroß bauen zu können. Sein hoher Wirkungsgrad bleibt dabei erhalten.
Vorteilhaft ist auch, daß der Halbleiterlaser im Dauerstrich- und im Impulsbetrieb betrieben werden kann. Halbleiterlaser findet man heutzutage z.B. in CD-Playern (Die Funktionsweise eines CD-Players wird am Ende des Textes erläutert). Den Halbleiterlasern werden die größten Zukunftschancen eingeräumt.



Die Anwendung des Laser

Vom Diamantbohrer zur Laserkanone



Das Anwendungsgebiet des Lasers ist weit gestreut.
Eines der ersten Aufgabengebiete eines Lasers war z.B. das Bohren winziger Löcher in Uhrensteine eines schweizer Uhrenherstellers. Mit dem verwendeten Festkörperlaser war es möglich, stündlich vollautomatisch 20.000 Bohrungen durchzuführen, ein Mehrfaches von dem, was konventionelle Maschinen erreichten.

Gaslaser mit Dauerstrichbetrieb fanden und finden Anwendung im Tunnelbau (z.B. bei U-Bahnen oder dem Eurotunnel). Die Laser lenken riesige Bohrmaschinen 'schnurgeradeaus' durch die Erde.
Auch als Meßgerät finden Laser vielfach Verwendung. Z.B. werden Dicken, Entfernungen und Geschwindigkeiten berührungslos mit dem Laserstrahl gemessen. Das Prinzip ist ganz einfach: Der auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts gerichtete Laserstrahl wird reflektiert (z.B. mit Hilfe eines Spiegels) und von einer Fotodiode wieder aufgefangen. Jetzt wird die Laufzeit des Strahls ermittelt und daraus die Entfernung berechnet. Ein berühmtes Beispiel hierfür ist die Vermessung der Strecke Erde-Mond: Die Astronauten der Apollo-11-Mission stellten bei ihrem ersten historischen Mondbesuch 1969 einen Laserreflektor auf dem Mond auf, der am 01.August 1969 von einem Riesenimpulslaser, der in Kalifornien stand, angepeilt wurde. Nach knappen 21/2 Sekunden wurde der reflektierte Laserstrahl wieder aufgefangen. Seit diesem Tage ist die Entfernung Erde-Mond, bis auf 20 cm genau, bekannt.

Lasertechnik wird in immer größerem Umfang auch in der Medizin eingesetzt. Statt mit mechanischen Geräten werden Zähne heute mit Lasern gebohrt. Auch abgelöste Augen-Netzhäute können mithilfe eines Lasers wieder 'angeschweißt' werden.
Auch im Umweltschutz hat der Laser Einzug gehalten. Mit Lidar-Geräten (Lasergeräte nach dem Radarprinzip) werden Staub-, Dunst- und Wolkenschichten jeder Art geortet. Dadurch können z.B. Luftverschmutzer entlarvt werden.
In der Kernenergie sollen Superlaser mit Strahlungsleistungen um eine Milliarde Kilowatt helfen, das Problem der kontrollierten Kernfusion zu lösen und damit in Zukunft ermöglichen, 'saubere' Kernkraftwerke zu bauen.
Nach Meinung von Fachleuten wird das in der Zukunft bedeutendste Anwendungsgebiet von Lasern die Nachrichtentechnik sein. Zur Datenübermittlung in Lichtwellenleitern, sogenannten Glasfasern (siehe Teil 2 des Textes), werden Laserdioden eingesetzt.



Der Laser als Waffe



Ein großes Laser-Anwendungsgebiet ist die Waffentechnik. Wenn man den Begriff 'Laserkanone' hört, so denkt man meistens an Science-Fiction-Filme, wie z.B. StarTrek - Raumschiff Enterprise/Voyager oder an die StarWars-Trilogy.
Doch auch in der Gegenwart werden Laserwaffen bereits eingesetzt:
Laser-Zieleinrichtungen und Entfernungsmeßgeräte, Laser-Ortungsgeräte und Nachrichtenübermittlungsgeräte gibt es heutzutage schon (z.B. in Kampfpanzern, FlaRakPanzern, usw.). Ein Waffenbeispiel für Lasertechnik gibt es aus den USA: Dort wurde ein Landepanzer für die Marine entwickelt, der mit einem 400.000 Watt Laser ausgerüstet war. Der Panzer war mit einer Panzerabwehrrakete vom Typ TOW bestückt, die nun mit Hilfe des Lasers 'punktgenau' ins Ziel gesteuert werden konnte.
Auch in Kampfflugzeugen wird die Lasertechnik eingesetzt, wie man es z.B. im Krieg der USA gegen den Irak sehen konnte. Die Rakete steuerte auf einem 'Laserleitstrahl' genau ins gegnerische Ziel.
In New Mexico (USA) gibt es seit 1982 ein Testgelände für eine Laserkanone mit 2,2 Millionen Watt Leistung.
Ein bekanntes Beispiel für den Einsatz des Lasers als Waffe ist das 1983 vom US-Präsidenten Ronald Reagan gestartete Programm zur Errichtung eines 'Schutzschildes im Weltraum'. Bekannt wurde dieses Projekt als 'Strategic Defense Initiative' (SDI).

Für den Einsatz als Abwehrwaffe gab es 1987 vier Laserarten, die dafür geeignet schienen. Diese Laser waren in der Lage, während der Antriebsphase einer Rakete (vom Abschuß der Rakete bis zum Lösen der Flugkörper von der Antriebsrakete) diese durch einen Laserschuß zu zerstören.

Einer dieser vier Laser war der 'chemische Laser'. Er erreicht seine Strahlung durch die Reaktion zweier Gase (z.B. Wasserstoff & Fluor). Er ist ein Dauerstrichlaser mit einer Leistung von mehr als einem Megawatt (103 Kilowatt). Um diesen Laser als Abwehrwaffe gegen Raketen einsetzen zu können, wäre allerdings mindestens die 20-fache Leistung erforderlich.
Der zweite Laser war der sogenannte 'Excimer-Laser', der Licht erzeugt, das in rasch aufeinanderfolgenden Impulsen ausgesendet wurde. Einer der stärksten Laser dieser Art war der Krypton-Flourid-Laser. Doch auch er war als Abwehrwaffe untauglich, da er statt einer mehrere Millisekunden dauernden Aussendung von mindestens 100 Megajoule nur etwa 1 Mikrosekunde lang 10 Kilojoule erzeugen konnte.
Als nächstes überlegte man, ob der 'Freie-Elektronen-Laser' als Raketenabwehr geeignet wäre.
Der 'Freie-Elektronen-Laser' funktionierte nach folgendem Prinzip:
Ein Elektronenstrahl wird durch ein magnetisches Wechselfeld (die Pole werden andauernd 'vertauscht') gelenkt. Durch die ständigen Magnetfeldänderungen werden die bewegten Elektronen in Schwingungen versetzt. Dadurch wird elektromagnetische Strahlung ausgesendet. Die Strahlung konnte man beim 'Freie-Elektronen-Laser' durch Variation der Magnetfeldänderung auf jede beliebige Wellenlänge einstellen.
Auch dieser Laser war als Abwehrwaffe nicht zu gebrauchen, da er bei einer vorausgesetzten Wellenlänge von einem Mikrometer eine Mindestleistung von ca. 1 Gigawatt (1 Million Kilowatt) hätte bringen müssen. Die Wellenlänge von einem Mikrometer war unbedingt notwendig, da es in diesem Bereich keine atmosphärische Absorption gegeben hätte. Das wiederum war wichtig, da die Laserkanone ja durch die Atmosphäre geschossen hätte.
Bei einer Wellenlänge von einem Mikrometer lag die Spitzenleistung jedoch bei nur 1000 Kilowatt. Also war somit auch der 'Freie-Elektronen-Laser' ungeeignet.

Der vierte Laser, den man verwenden wollte, war der 'Röntgen-Laser'.
Ein nuklearer Sprengsatz wird zur Explosion gebracht, die das Freiwerden von Röntgenstrahlen verursacht. Röntgenstrahlung ist viel energiereicher als elektromagnetische Strahlung und wäre somit zur Abwehr von Raketen sehr geeignet gewesen.
Bei der Entwicklung des Röntgenlasers trafen die Wissenschaftler jedoch auf viele Probleme, so daß an dieser Technologie heutzutage immer noch geforscht wird.
Bis heute gibt es (wahrscheinlich) noch kein ausgereiftes Raketenabwehrsystem auf Laserbasis.
Ein Problem ist, einen genügend starken Laser zu entwickeln, der die benötigte Energie leisten kann.
Viel entscheidender ist jedoch das Problem, den Laserstrahl in sein Ziel (in die feindliche Rakete) zu lenken. Zu diesem Zweck benötigt man Spiegel mit einem Durchmesser von 10 bis 40 Metern. Bis heute liegt die Durchmessergrenze jedoch bei ca. 8 Metern.
Problematisch ist dabei nämlich, daß so ein großer 40-Meter-Spiegel schnell und vor allem präzise steuerbar sein muß, um auf beweglich Ziele ausgerichtet werden zu können.



Die 'friedliche' Anwendung
des Laser



Ein 'friedliches' Anwendungsgebiet eines Lasers findet man im Unterhaltungselektronik- und im EDV-Bereich.
Dort gibt es viele Geräte, die mit einem Laser arbeiten:
Laserdrucker, CD-ROM-Laufwerke, Magneto-Optical-Disc (MO), Digital-Versatile-Disc (DVD), CD-Brenner und Audio-CD-Player.

Zwei Geräte möchte ich hier etwas genauer in ihrer Funktion beschreiben und zwar

1. den Laserdrucker
2. das CD-ROM-Laufwerk

(stellvertretend für CD-Brenner, MO, DVD und Audio-CD)



Der Laserdrucker



Die zu druckenden Daten (Zeichen und Grafiken) werden mit Hilfe eines Laserstrahls auf eine lichtempfindliche Schicht, die sich auf einer rotierenden Trommel befindet, projiziert (Fotoleitertrommel)
An den vom Laser belichteten Stellen werden in der Entwicklerstation Tonerpartikel freigesetzt. Anschließend wird das Papier an der Fotoleitertrommel vorbeigeführt. Die Tonerpartikel auf der Fotoleitertrommel werden nun auf das Papier übertragen. Das Papier wird im Vorheizsattel auf mehrere 100 C erhitzt und läuft danach durch die Fixierwalzen, in denen der heiße Toner durch Druck in das Papier eingebrannt wird.
Die Fotoleitertrommel wird nun an der Entladestation entladen und an der Reinigungsstation gereinigt.
Nachdem die Fotoleitertrommel am Ladecorotron 'vorbeigelaufen' ist, kann sie wieder neue Druckdaten aufnehmen.
Laserdrucker gehören zu den Seitendruckern, d.h., daß immer eine komplette Druckseite in den Druckerspeicher übertragen werden muß. Ein 'Teilladen' einer Druckseite, wie z.B. bei Matrix- oder Tintendruckern, ist nicht möglich.






Das CD-ROM-Laufwerk



CD ist die englische Abkürzung für Compact Disc. Eine CD ist eine einseitig in digitaler Form bespielte Festspeicherplatte.
Die Compact Disc besteht aus einer Kunststoffscheibe von 12 cm Durchmesser und 1,2mm Dicke. Da die Daten in digitaler Form (binär, 1 und 0) gespeichert sind, besitzt eine CD eine viel bessere Abspielqualität als eine herkömmliche Langspielplatte, auf der die Informationen analog gespeichert sind. Bei der Wiedergabe einer CD entfällt z.B. das von den LPs bekannte 'Knacken und Rauschen'.
Die Toninformationen auf der CD sind unterhalb einer transparenten Schutzschicht der mit einer reflektierenden Aluminiumschicht bedampften CD-Oberfläche als digitale Signale in Form von einer dichten Folge mikroskopisch feiner Pits abgespeichert. Als Pit bezeichnet man eine in diese CD eingebrannte Vertiefung mit einer Tiefe von 0,1 µm, einer Breite von 0,5 µm und einer Länge von 1 µm. Diese Pits werden entweder in die CD gepreßt, z.B. bei der Massenproduktion von CDs, oder sie werden von einem Laserstrahl eingebrannt, wie es bei den jetzt aktuellen CD-Brennern der Fall ist.
Die Pits sind wie auf einer Schallplatte spiralförmig angeordnet, laufen aber im Gegensatz zur LP von innen nach außen.
Die Informationen, die auf eine CD gespeichert werden sollen, müssen vorher in eine 14- bis 16-stellige Binärkombination umgewandelt werden.
Beim Abspielen der CD werden die digitalen Informationen mit Hilfe eines optoelektronischen Tonabnehmersystems gelesen. Die Pits werden berührungslos mit einem fokussierten Lichtstrahl eines Halbleiterlasers abgetastet; so werden z.B. die gespeicherten Musikinformationen über einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) in Stereosignale rückgewandelt.

'Glasfaser' ist der zweite Teil meiner Ausarbeitung.
erste Teil: 'Laser'

Inhaltsverzeichnis

·         Wozu benötigt man Glasfasern ?

·         Vorteile von Glasfasern

·         Glasfasern übertragen Licht

·         Wie funktioniert ein Lichtwellenleiter ?

·         Entwicklung der Glasfasertechnik

·         Meilensteine der Glasfasertechnik





Wozu benötigt man Glasfasern ?



Fast jeder Haushalt und jede Firma besitzt heutzutage mindestens einen Personal Computer (PC). Bis vor kurzem war der PC ein 'isoliertes' Gerät, von der Außenwelt total abgeschirmt. Das änderte sich in den vergangenen Jahren jedoch schlagartig. Internet und Multimedia waren die neuen Schlagwörter.

Plötzlich war man über den PC und dem Telefon mit Hilfe eines Modem mit der ganzen Welt verbunden. Eine unerschöpfliche Informationsfülle steht dem Anwender nun zur Verfügung, die er sich auf den heimischen PC laden kann.

Zu Anfang bestanden diese Informationen meistens nur aus Texten, aber mit Aufkommen des 'World Wide Web' (WWW) begann das Multimediazeitalter im ehemals militärischen Internet. Ab sofort wurden Musik, Filme, bewegte Grafiken und die jetzt aktuellen 'Java-Programme' übertragen. Das ist ja auch alles ganz prima, nur gab es ein Problem, das sich in der Gegenwart zum Hauptproblem entpuppt: Immer mehr Menschen gehen 'ans Netz' und immer mehr Daten werden auf den heimischen PC 'gesaugt'. Alles wuchs explosionsartig (die 'Surfer' genauso wie die 'Server'), nur das Telefon- und Datennetz blieb auf dem Stand von vorgestern. Durch die riesigen Datenmengen, die übertragen werden, wird das Telefonnetz zur Zeit völlig überlastet.

In Deutschland sind die meisten Telefonleitungen einfache Kabel (z.B. Kupferkabel), durch die sich die Daten in Form von elektrischen Signalen ('analog') 'durchquetschen' müssen. Von immer mehr Internet-Nutzern werden immer mehr Informationen durch die Leitungen 'gejagt', und der Flaschenhals 'Telefonnetz' wird immer enger - bis zum absoluten Stillstand.
Doch das soll in Zukunft anders werden. 'Digitalisierung des Telefonnetzes' und 'Austausch der alten Kabel gegen Lichtwellenleiter' sind die neuesten Ziele.

Digitalisierung kann man folgendermaßen kurz erklären:
Informationen, egal ob normale Telefongespräche oder andere Daten, werden nicht mehr durch elektrischen Signale (wie bei der analogen Übertragung) übertragen, sondern digital. Die Übertragung erfolgt binär, d.h. in Form von 1 und 0 (oder auch 'An'/'Aus').

Ein kleiner Vorteil der digitalen Übertragung ist z.B. der Wegfall des 'Leitungsrauschens', das es zur Zeit bei Telefongesprächen noch gibt, und das so manches Modem schon zum 'Absturz' gebracht hat.
In Deutschland gibt es schon seit einigen Jahren ein volldigitalisiertes Netz, welches parallel zum 'normalen' Telefonnetz von der Telekom betrieben wird: ISDN. ISDN steht für 'Integrated Services Digital Network' (= 'Integrierte Dienste im digitalen Netzwerk').

Digitale Informationen können durch Licht (Licht 'An' = 1, Licht 'Aus' = 0) dargestellt werden. Durch Glasfasern wird dieses Licht übertragen. Bis jetzt wurden die Informationen oft unter Verwendung von Radiowellen übertragen, dem die Nachrichten 'aufgeprägt' wurden. Wellen dieser Art waren nicht nur für den Funk (Übertragung durch die Luft) geeignet, sondern nutzten auch die Kabelwege (z.B. Draht) bestmöglich aus. Radiowellen haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Ihre Bandbreite ist begrenzt, d.h. über Radiowellen können nur eine bestimmte Menge an Informationen übertragen werden. Licht dagegen hat eine etwa einhundert mal so große Bandbreite wie die aller Radiowellen zusammen. Es würde sich also hervorragend zur Datenübertragung eignen.


Vorteile der Glasfasern

·         keine Störbeeinflussung durch elektromagnetische Felder

·         große Übertragungskapazität bei kleinem Gewicht und geringen Abmessungen

·         elektrische Isolation zwischen Sender und Empfänger

·         Vereinfachung der Gerätetechnik, Blitzschutz

·         keine Funkenbildung bei mechanischem Defekt

·         in weiten Bereichen frequenz- und temperaturunabhängige Kabeldämpfung



Glasfasern übertragen Licht



Werden Glasfasern haarfein gezogen, verlieren sie eine Eigenschaft, das Glas normalerweise hat: die Zerbrechlichkeit. Glasfasern sind flexibel wie Seide, lassen sich also auch 'um Ecken und Kanten' verlegen.
Das Herstellen solcher Glasfasern ist prinzipiell ganz einfach: Von einem erhitzten Glasstab wird mit Hilfe einer sogenannten 'Glasbläserlampe' ein dünner Faden abgezogen und an einer Trommel befestigt. Diese Trommel rotiert mit etwa 600 bis 700 Umdrehungen in der Minute. Die Trommel zieht nun von dem weiterhin erhitzten Glasstab einen dünnen Faden ab und wickelt ihn auf. Diese so gewonnenen Glasfasern können nun beliebig weiterverwendet werden.

Schon sehr früh wurde dieses Verfahren in Murano bei Venedig angewendet, um Glasfasern herzustellen. Nur wurden sie damals nicht zur Datenübertragung, sondern für Flechtarbeiten und 'Federbüschel' verwendet.
Später kamen die ersten Seidenstoffe auf, bei denen die Naturseide mit der sogenannten Glasseide 'gestreckt' wurde.
Die frühen Fasern waren natürlich noch nicht mit den heutigen Glasfasern zu vergleichen. Das lag vor allem an der Qualität des Glases.

Erst im Jahr 1850 wurde ein neues Glasrezept entwickelt, welches es möglich machte, die Fasern auf Stärken zwischen 1/100 und 6/1000 Millimeter auszuziehen. Heutzutage können die Fasern bis zu einer Stärke von nur 3/1000 Millimeter ausgezogen werden.




Wie funktioniert ein Lichtwellenleiter ?



Im luftleeren Raum bewegt sich das Licht mit ca. 300.000 Kilometer in der Sekunde. Aber eben nur im luftleeren Raum. Jeder andere Stoff 'schluckt' das Licht mehr oder weniger stark. Auch Glas ist ein 'Lichtschlucker'. Diese Dämpfung wird, wie Schall, in Dezibel (dB) gemessen.
Aus diesem Grund müssen die Fasern aus besonders 'durchsichtigem' hochreinen Glas bestehen, um den dB-Wert gering zu halten. Die ersten Glasfasern hatten eine Dämpfung von 20 dB, was bedeutet, daß nach einem Kilometer Faserlänge nur noch 1/100 der eingegebenen Lichtwellenenergie nachweisbar war.
Die folgende Tabelle zeigt die Dämpfung von verschiedenen Materialien:

Medium

Dämpfung in dB/Km

Eindringtiefe bei 30 dB
in Meter

Fensterglas50.000

0,6

optisches Glas3.000

10

dichter Nebel500

60

Atmosphäre über Stadtgebiet10

3.300

Lichtleiter< 3

> 10.000

Einmodenfasern0,1

300.000



Heutige Glasfasern haben einen Dämpfungswert von ca. 0,2 dB. Erst nach etwa 30 Kilometern muß das Signal verstärkt werden. Demgegenüber muß das Signal z.B. beim Koaxialkabel etwa alle 2 Kilometer verstärkt werden.

Grundsätzlich bestehen Lichtwellenleiter aus haarfeinen Glasfasern, die mit einem Glasmantel umgeben sind.
Es gibt 3 Glasfasertypen, die sich durch die Art der Fortpflanzung des Lichtes unterscheiden.
'Mehrwellige Multimode-Glasfasern' reflektieren die Lichtimpulse 'zickzackförmig'.
Der nächste Typ sind die 'Gradientfasern', die ebenfalls mehrwellig sind. Durch mehrere, nach abnehmender Dichte angeordnete Glasschichten um den Kern, wird für eine weiche Reflexion der Lichtimpulse gesorgt.
Der dritte Typ sind die besonders dünnen, einwelligen 'Monomode-Glasfasern'. Durch diese Glasfaser wird der Lichtstrahl ohne Reflexion streng geradeaus geführt.

Die Daten werden durch optische Impulse übertragen. Dazu müssen sie, wie schon gesagt, in digitaler Form vorliegen. Bei Computerdaten, die übertragen werden sollen, stellt das auch kein Problem dar, da sie ja grundsätzlich digital sind. Nur analoge Daten (elektrische Signale), z.B. bei Telefongesprächen, müssen von einem A/D-Wandler in digitale Impulse umgewandelt, durch das Kabel geschickt, und am anderen Ende wieder in elektrische Signale umgewandelt werden.

Jede einzelne Glasfaser braucht ihren Sender und Empfänger an den Enden.
Als Sender kommen z.B. eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode (LD) in Frage, die Lichtimpulse erzeugen.
Die Leuchtdiode (LED) hat eine übertragbare Bitrate von 34 Mbit/s. Ihre Lebensdauer ist extrem hoch und der Preis relativ niedrig. Die Laserdiode (LD) hat eine übertragbare Bitrate von über 2 Gbit/s. Leider hat sie nur eine niedrige Lebensdauer, was auf die hohe Temperatur- und Alterungsabhängigkeit des Laserlichtes zurückzuführen ist. Außerdem ist der Preis sehr hoch (teure Produktionskosten, komplexe Steuerung).
Als Empfänger auf der Gegenseite wird meistens eine Art Fotozelle eingesetzt, die die Lichtimpulse 'in Empfang' nimmt.

Handelt es sich bei den übertragenen Daten um vormals analoge Daten (z.B. ein Telefongespräch), so werden die Impulse durch einen D/A-Wandler wieder in elektrische Signale umgewandelt.

Mit zwei Glasfasern können knapp 2.000 Telefongespräche gleichzeitig übertragen werden. Mehrere Lichtwellenleiter können zu einem Lichtwellenleiterkabel zusammengesetzt werden.


Entwicklung der Glasfasertechnik



Eines der ersten Glasfaserkabel wurde im Jahr 1970 von der amerikanischen Firma Corning Glass Works vorgestellt. Etwa zur gleichen Zeit stellte auch die Firma Nippon Electric Co. in Japan ein 20 dB-Glasfaserkabel vor.
Kurz darauf entwickelte Charles K. Kao von der Standard Telecommunication Laboratories der ITT in England ein Multimode-Glasfaserkabel mit geringer Dämpfung und einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s.
Bereits 1973 brachte Corning Glass Works einen Lichtwellenleiter mit nur 2 dB/km Dämpfung vor. Dieser Wert konnte kurze Zeit später auf 0,85 dB/km verringert werden.
1979 gab es dann Fasern mit einer Dämpfung von nur 0,7 dB/km.
1976 präsentierten die Bell-Laboratories ein Glasfaserkabel, das aus 144 einzelnen Glasfasern bestand und mit dem knapp 50.000 Telefongespräche parallel übertragen werden konnten. Das Kabel hatte nur einen Durchmesser von 1,27 cm.
In der folgenden Zeit wurden viele Versuchsnetze mit Lichtwellenleitertechnik installiert, z.B. in Japan, England und Deutschland.
In Deutschland hieß das Projekt BIGFON (Breitbandiges Integriertes Glasfaser-Fernmelde-Ortsnetz).


Meilensteine der Glasfasertechnik



1979 schafften es die Japaner, die Dämpfung auf 0,2 dB/km 'herabzudrücken'. Zeitgleich gelang es in den Bell-Laboratories, mit Glasfasern eine Übertragungsrate von 200 Gbit/s zu erreichen.
Auch die Entwicklung der Sender schritt voran. Gallium-Arsenid-Laser (GaAs-Laser) wurden eingesetzt. Dieser Laser sendete einen Lichtstrahl aus, der einen Durchmesser von nur 2 Mikrometern hatte. Dieser Lichtstrahl konnte die Monomode-Glasfaser voll ausnutzen.
Auch als Seekabel sollten Lichtwellenleiter eingesetzt werden. 1982 wurde erstmals ein 20 Kilometer langes Glasfaserkabel in Betrieb genommen. Dieses Kabel kam ohne Verstärker zurecht und arbeitete mit 34 Mbit/s.
1985 wurde dann an der Mittelmeerküste ein 80 Kilometer langes Kabel mit einer Übertragungsrate von 140 Mbit/s in Betrieb genommen. Pro Faserpaar konnten 3.840 Telefonkanäle geschaltet werden.

In den 80er Jahren wurde dann ein Transatlantikkabel in Glasfasertechnik (TAT-8) installiert. Dieses Kabel hatte eine Übertragungskapazität von fast 40.000 Telefongesprächen.
Drei Faserpaare wurden verlegt: Eines von den USA nach England und eines von den USA nach Frankreich. Das dritte Kabel, das von den USA bis zu dem Punkt verläuft, an dem sich die Kabel vor der europäischen Küste trennen, ist als Ersatzkabel gedacht, falls in der Hauptleitung ein Fehler auftritt.

In den Labors wird derzeit kräftig weiterentwickelt. Eine Forschungsgruppe von AT&T Bell Laboratories in den USA verbesserte den Verstärkerabstand auf 68,3 Kilometer und die Übertragungsrate auf 20 Milliarden Bit/s. Das entspricht etwa 300.000 gleichzeitig geführten Telefongesprächen; aber es waren eben nur Laborversuche.
1990 experimentierten Wissenschaftler mit zwei Wellenlängen des Lichts auf einem Glasfaserkabel. Dies führte nochmal zu einer Verdoppelung des Datendurchsatzes.

Bis zum Jahr 1990 waren in Deutschland bereits etwa 1 Million, in Großbritannien über 800.000, in Frankreich ca. 500.000 und in Italien ca. 200.000 Kilometer Glasfaserkabel verlegt.










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