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Physik projekt LASER



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.










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