Table Of ContentD. Rosenberger
Technische
Anwendungen
des Lasers
Unter Mitarbeit von
E. Klement, U. Kopf, M. Lang, G. Rauscher
Springer-Verlag
Berlin· Heidelberg· New York 1975
Dr. rer. nat. Dieter Rosenberger
Dr. rer. nat. Ekkehard Klement
Dr. rer. nat. Ulrich Kopf
Dr. rer. nat. Manfred Lang
Dipl.-Phys. Gerhard Rauscher
samtIich Mitarbeiter der Siemens AG, Miinchen
Mit 208 Abbildungen
ISBN-13: 978-3-642-93031-7 e-ISBN-13: 978-3-642-93030-0
DOl: 10.1007/978-3-642-93030-0
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® by Springer-Verlag. Berlin/Heidelberg 1975.
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1975
Library of Congress Catalog Card Number 78-21208.
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berechtigt auch ohne besondere Kennzelchnung nicht zur Annahme, daB solche Namen 1m Sinne
der Warenzelchen-und Markenschutz·Gesetzgebung als frel zu betrachten waren und daher von
jedermann benutzt werden dllrften.
Vorwort
Der Laser als Strahlungsquelle hoher Koharenz und Leuchtdichte hat
seit seiner ersten Realisierung im Jahre 1960 bereits eine breite technische
Anwendung gefunden. Sein Einsatz erstreckt sich derzeit iiberwiegend
auf Aufgaben der MeBtechnik und Materialbearbeitung. Die Entwicklung
bei der optischen Nachrichten- und Datentechnik sowie die Forschungs
arbeiten auf den Gebieten der optischen Analyse und Photochemie lassen
jedoch erkennen, daB der Laser auch in diesen Bereichen Einzug halten
wird.
1m vorliegenden Buch werden die derzeit bedeutendsten technischen
Anwendungsmoglichkeiten des Lasers behandelt. Nach einer Einfiihrung
in die Grundlagen der technisch wichtigen Lasersender, Modulatoren und
Detektoren werden in den ersten Abschnitten zunachst die Anwendungs
bereiche vorgestellt, in denen der Einsatz des Lasers bereits technische
Realitat ist. Ein breiter Raum ist dabei der LasermeBtechnik gewidmet:
Justiertechnik, Dicken- und Entfernungsmessung, Geschwindigkeits
messung und Kurzzeitphotographie sowie interferometrische MeBtechnik
werden an einer Reihe von Beispielen ausfiihrlich erlautert. Ein betont
praxisorientierter Abschnitt fiihrt in das Gebiet der Materialbearbeitung
ein. Die Darstellung in diesen Abschnitten ist bemiiht, neben der Er
lauterung der zugrunde liegenden physikalischen Effekte und MeB
prinzipien auch praktische Hilfen fiir die aktuelle Anwendung zu geben.
Diese Abschnitte wenden sich also gleichermaBen an Physiker, Ingenieure
und Techniker.
AnschlieBel1d werden optische Nachrichtentechnik mit freien und ge
fiihrten Wellen sowie optische Informationsverarbeitung und Daten
speicherung - Gebiete, auf denen noch Forschungs- und Entwicklungs
arbeit geleistet wird - in ihren wesentlichen Ziigen vorgestellt. Bei der
optischen Informationsverarbeitung konnte auf die Grundelemente des
fiir die Koharenzoptik typischen mathematischen Formalismus nicht
vollig verzichtet werden, was die Lektiire dieses Abschnitts zweifellos
etwas erschwert. Erhohte Anforderungen an die V orkenntnisse werden
auch bei der Abhandlung iiber den Einsatz des Lasers fiir Analyse und
tv Vorwort
Photochernie verlangt. Fiir diesen Abschnitt gilt in noch hOherem MaBe
als fiir die iibrigen Beitrage des vorliegenden Buches, daB bei dem vor
gegebenen Umfang eine ausgewogene Darstellung des breiten Anwen
dungsspektrums nur durch auBerst knappe Formulierung moglich war.
Biologische und medizinische Anwendungen des Lasers werden daher
auch nur soweit behandelt, als es fiir eine Erlauterung des Laserstrahlen
schutzes notwendig ist.
. Die Verfasser dieses Buches haben ihre Kenntnisse ZUlli iiberwiegen
den Teil durch mehrjahrige Arbeit auf den von ihnen bearbeiteten Teil
gebieten in den Laboratorien der Siemens Aktiengesellschaft gewonnen.
Sie danken an dieser Stelle allen Kollegen und deren Instituten fiir die
Dberlassung von Bildmaterial. Ein besonderer Dank gilt Herrn Dr.
P. Graf, Siemens AG, Bereich Datentechnik, fiir rue Bereitstellung von
Manuskripten iiber Modulations- und Detektionsverfahren, sowie Herrn
Dr. B. Koch, Deutsch-Franzosisches Forschungsinstitut, St. Louis, fiir
die sorgfaltige Durchsicht eines Manuskriptes zu Abschnitt 3. Dem
Springer-Verlag sei fUr die sorgfaltige AusfUhrung des Buches Dank
gesagt.
Miinchen, im August 1974 Dieter Rosenberger
Inhaltsverzeichnis
t. Grundlagen (D. Rosenberger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. Uberblick ................................................... .
1.2. Lasersender fiir technische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1. Allgemeines Laserprinzip ................................. 1
1.2.2. Eigenschwingungen von Laserresonatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.3. Oszilationsverhalten von Lasem ........................... 7
1.2.4. Betriebszustande der Laser, Zeitverhalten der Laseremission .. 9
1.2.5. Zeitverhalten der Laserfrequenz, Frequenzstabilisierung ...... 10
1.2.6. Gaslaser ..........•.................. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 13
1.2.7. Optisch gepumpte Festkorperlaser .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.8. Halbleiterinjektionslaser ................................. 19
1.3. Ausbreitung und Abbildung von Laserstrahlung ...... . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1. StrahlungskenngroBen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2. Abbildungsgesetze.......................... . . . . . . .. . . . . . . 23
1.3.3. Fokussierung im Nahbereich...... . ............... ......... 24
1.3.4. Fokussierung auf groBe Entfemung ........................ 25
1.3.5. Biindelung von Laserlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4. Modulation und Ablenkung von Laserstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.1. Uberblick............................................... 28
1.4.2. Mechanische Modulation. . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
1.4.3. Elektrooptische Modulatoren und Ablenker ................. 30
1.4.4. Akustooptische Modulatoren und Ablenker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.5. Detektoren fur Laserstrahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
<...........
1.5.1. Uberblick ................................... 38
1.5.2. DetektorkenngroBen ..•.................................. 39
1.5.3. Rauschen bei der Detektion von Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.5.4. Photorohren und Photovervielfacher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
1.5.5. Photoleiter.............................................. 46
1.5.6. Photodioden und Photoelemente .. . . ............ ... .... .... 47
1.6. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
2. Justier-und LiingenmeBtechnik (D. Rosenberger, E. Klement) .......... 54
2.1. Einfiihrung ................... . ................. .... .... ... ... 54
2.2. Laserjustiertechnik •............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
2.2.1. Oberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
VI Inhaltsverzeichnis
2.2.2. Laserjustierprinzipien ...................... '. . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.3. Praktische Detektionsmethoden und Anwendungen .......... 57
2.3. Profilmessung durch Lasersonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4. Abstands-und Dickenmessung durch Lasertriangulation ........... 61
2.4.1. Vberblick............................................... 61
2.4.2. MeBprinzip......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5. Entfernungsmessung mit moduliertem Licht (E. Klement) .......... 67
2.5.1. Einleitung .............................................. 67
2.5.2. Reichweite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.3. Entfernungsmessung durch Laufzeitmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5.4. Entfernungsmessung durch Phasenvergleich . . . . . . . . . . . . . . . .. 77
2.5.5. MeBfehler .............................................. 84
2.5.6. Aufbau von Entfernungsmessern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.5.7. Entfernungsmesser und ihre Anwendungen .... ............ .. 89
2.6. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3. Messungen an bewegten Objekten (E. Klement, U. Kopf)................ 97
3.1. Geschwindigkeitsmessung mittels Doppler-Effekt (E. Klement) ..•... 97
3.1.1. Einleitung ............................................... 97
3.1.2. Grundlagen ............................................. 97
3.1.3. MeBanordnungen ......................................... 101
3.1.4. Signalanalyse............................................ 104
3.1.5. MeBfehler und Auflosungsvermogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . .. 112
3.1.6. Anwendungsbeispiele ..................................... 115
3.2. Kurzzeit- und Hochgeschwindigkeitsphotographie (U. Kopf). . . . . . . .. 115
3.2.1. Einleitung .............................................. 115
3.2.2. Laserlichtquellen .................................•...... 116
3.2.3. Aufnahmeanordnungen und Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . .. 121
3.3. Literatur ........................... '. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 130
4. Interferometrische MeBtechnik (U. Kopf) ............................. 134
4.1. Einleitung .................................................... 134
4.2. Langenmessung mit dem Laserinterferometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 135
4.2.1. Michelson-Interferometer..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 136
4.2.2. Polarisations-Interferometer .............................. 138
4.2.3. Doppler-Effekt und Doppelfrequenzinterferometer ........... 140
4.2.4. Kompensation von Umwelteinfliissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 142
4.2.5. MeBgenauigkeit und MeBbereich ..•........................ 143
4.2.6. Anwendungen von Laserinterferometern ....•............... 144
4.3. Holographische Interferometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
4.3.1. Entstehung holographischer Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
4.3.2. Holographische Versuchstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. 148
4.3.3. Verfahren der holographischen Interferometrie ............... 150
4.3.4. Auswertung holographischer Interferogramme ............... 155
4.3.5. Technische Anwendungen der holographischen Interferometrie 162
4.4. Neuere koharent-optische Verfahren .............................. 171
4.4.1. Messungen mit Hilfe der Granulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
4.4.2. Koharent-optische Moire-Verfahren ......................... 175
4.5. Literatur ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 177
Inhaltsverzeichnis VII
5. Materialbearbeitung mit Laser (G. Rauscher) ......' .................... 181
5.1. Allgemeine Gnmdlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 181
5.1.1. Einleitung .............................................. 181
5.1.2. Absorption von Laserstrahlung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 182
5.2. Materialbearbeitung allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 189
5.2.1. Einleitung .........................................•. '. .. 189
5.2.2. Aufbau technischer Laseranlagen, Vorrichtungen und allgemeine
Abschatzungen .......................................... 192
5.3. LaserschweiBen ............................................... 205
5.3.1. Einleitung .............................................. 205
5.3.2. Laserwahl und Werkstiickanordnungen ..................... 206
5.3.3. Beispiele von SchweiBungen .............................. , 207
5.4. Trennen ....................................................... 212
5.4.1. Einleitung .............................................. 212
5.4.2. Trennen von Glas und Keramik •.......................... 212
5.4.3. Trennen von Metallen .................................... 216
5.4.4. Schneiden und Pragen von Papier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 216
5.4.5. Schneiden von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 217
5.5. Bohren und Abtragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 218
5.5.1. Einleitung............................................. 218
5.5.2. Bohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 218
5.5.3. Abtragen ............................................... 223
5.6. Plasmaerzeugung .............................................. 229
5.6.1. Einleitung .............. _. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 229
5.6.2. Gasdurchschlag.......................................... 230
5.6.3. Fusionsplasmen ........ ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 231
5.6.4,Plasmadiagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 232
15.7. Literatur ..................................................... 233
6. Optische Nachrichteniibertragung (D. Rosenberger) ..............•..... 236
6.1. tlberblick .................................................... 236
6.2. Laserrichtfunk ... . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 237
6.2.1. Freiraumdampfung ...................................... 237
6.2.2. Die Atmosphare als optischer Kanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 239
6.2.3. Systembetrachtungen..................................... 244
6.3. Optische Nachrichtentechnik mit Wellenleitern ......•............. 248
6.3.1. tlberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 248
6.3.2. Linsenwellenleiter ....................................... 249
6.3.3. Gradientenfaser mit Selbstfokussierung ..................... 250
6.3.4. Ummantelte Kernfasern .................................. 253
6.3.5. Verluste optischer Faserwellenleitern ....................... 259
6.3.6. Aufbau von Faserstrecken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 261
6.3.7. Integrierte Optik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 265
6.4. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 267
VIII Inhaltsverzeichnis
7. Optische Datentechnik (Y. Lang) •••. . . • • . . • • . . . . . . . . . . • . • • . . • • • • . . .. 270
7.1. Einleitung •...••....•.•.......•.•••.••...........•...•.•...••. 270
7.2. Optische Informationsverarbeitung •..••••••••.•.••••.•.•...•••... 271
7.2.1. Zweidimensionale Fourier-Transformation und Faltung ••••... 271
7.2.2. Kobii.rent-optische Raumfrequenzfilterung .••••.•..•..•..•.. 275
7.2.3. Angepa8te Filterung und Zeichenerkennung • . . • • • . • . . . . . . . .. 279
7.2.4. Bildverbesserung......................................... 285
7.2.5. Simulation von Antennen-Strahlungs-Diagrammen .••...•.... 288
7.2.6. Auswertung von Seitensichtradardaten. • • • . • • • . . • . . . • . . . • • .. 289
7.3. Optische Datens~icherung •••••...••••••••••••..•••...•••...... 291
7.3.1. Eignurig optischer Verfahren zur Datenspeicherung ........... 291
7.3.2. Lokalisierte Speicherung digitaler Daten . • • . . . . . . . . . . . . . . . .. 294
7.3.3. Blockorganisierte holographische Festwertspeicher. . • . . . . . . . .. 297
7.3.4. Wortorganisierte holographische Festwertspeicher .••....•.... 304
7.3.5. Holographische Bandspeicher • . . . • • • .. • . . . • . • • . • . . . . . . • . . .. 305
7.3.6. LOschbare holographische Datenspeicher . • • . . . . . . • . . . . . . . . .. 307
7.3.7. Ausblick •••••....••.•..•••....•••...........•........... 311
7.4. Literatur • • • • • . . . . • . . . • . .. . . • • • . . . . • . . • • . . . • • . . . . . . . . . . . . . . . .. 312
8. Analyse und Photochemie (E. Klement) •.•........................... 316
8.1. Einleitung ..•••••...••••••••.••...•.••••. '" .•... " .....•••... 316
8.2. Analyse durch elastische'Lichtstreuung .•••.............•.•...... 316
8.2.1. Einfiihrung ..... ; ........................................ 316
8.2.2. Elastische Lichtstreuung . • • • . . . . • • • . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . ... 317
8.2.3. Yessung der Vorwartsstreuung •...••....••........•........ 318
8.2.4. Messung der Riickstreuung (Lidar) • • . • . . • • • . . . . . . . . . . . . . . .. 320
8.2.5. Messung der Extinktion •••.••••••..•••.•••................ 321
8.2.6. Messung der Verluste in einem Laserresonator .•..••......... 321
8.3. Laserspektroskopie............................................. 323
8.3.1. EinIuhrung.............................................. 323
8.3.2. Laser fUr die Spektroskopie .. .. .. .. . . . . .. . . . .. . . . .. . . .. .. 324
8.3.3. Absorptionsspektroskopie ................................. 325
8.3.4. F1uoreszenzspektroskopie ................................. 330
8.3.5. Raman-Spektroskopie .•••.........•.....•....•..•........ 331
8.4. Laser in der Mikroanalyse ...•.•••••••••..•..........•.......... 333
8.4.1. Einfiihrung.............................................. 333
8.4.2. Mikrospektralanalyse .....••.....•••...•••..........•..... 333
8.4.3. Mikrogasanalyse •.•••..•••..••.•••...........•......••... 334
8.5. Photochemie ••••••••...•.....•••...•.•.••..•••.. -.•••... ~ . . • . .. 334
8.5.1. tibersicht .•••.•........••.....•......••- ........•..•... " 334
8.5.2. Reaktionen mit selektiver Anregung (Isotoptentrennung). . • . .. 335
8.5.3. Reaktionskinetik .......................................... 338
8.6. Literatur ......•.....•....- .....•...••.....•............••.... 339
InhaltsverzeIchnis IX
9. Laser in Medizin und Biologie, Laserstrahlenschutz (E. Klement) 343
9.1. tlberbJick .............................•...................... 343
9.2. Wechselwirkung zwischen Laserlicht und biologischen Systemen ..... 343
9.2.1. Aligemeines zur Wechselwirkung .......................... 343
9.2.2. Absorptionsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 344
9.3. Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 345
9.4. Laserstrahlenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 346
9.4.1. Primare Gefahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 346
9.4.2. Schutz gegen die primaren Gefahren ........................ 347
9.4.3. Schutz gegen sekundare Gefahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 348
9.4.4. SchluBbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 348
9.5. Literatur .... ,.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 349
Sachverzeichnis .................... . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 350
Haufig benutzte Bezeichnungen
Physikalische Konstanten
e = 1,602. 10-19 As Elektronenladung
C = 2,998 . 108 m 8-1 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
80 = 8,854.10-12 AsV-lm-l Dielektrizitatskonstante des Vakuums
Po = 1,257.10-6 VSA-l m-1 Permeabilitat des Vakuums
Zo = P01l2 Eo-1/.2 = 376,7 n . Wellenwiderstand des Vakuums
k = 1,380. 10-23 JK-l Boltzmann-Konstante
h = 6,625· 10-34 Js Plancksches Wirkungsquantum
Mathematische Symbole
c . c konjugiert komplexer Ausdruck einer komplexen Funktion
19x Briggs8cher Logarithmus von x
lnx natiirlicher Logarithmus von x
expx = eX
V,v Vektoren V, v
e Einheitsvektor
J",(x) Besselfunktion m-ter Ordnung
Physikalische GroBen
0 Kapazitat n Brechungsindex
c spezifische Warme n Anzahldichte
p
E,E Elektri8che Feldstarke n. Elektronendichte
f Brennweite N Anzahl
f Frequenz P Leistung
F Fresnelzahl p Druck
F Blendenzahl R Widerstand
I Stromstarke l' Ortsvektor
i Stromdichte r Krummungsradius
k Ausbreitungsvektor, Wellen- S LeistungsfluJldichte, Intensi-
vektor tiit
k thermische Diffusionskon- T Temperatur
stante t Zeit
L Induktivitiit U elektrische Spannung
