Die Entwicklung von Lasern schreitet rasch voran
Laser sind heutzutage aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken! Zuhause lesen sie Daten von CDs, DVDs und Bluerays, in der Industrie bearbeiten sie Material und in der Medizin helfen sie in der Therapie! Laserpointer sind eine Selbstverständlichkeit und werden in Schulen, Universitäten und Firmen benutzt! Seit Albert Einstein vor ca. 100 Jahren die Idee zum Laser hatte und 1960 der 1. Laser in einem Labor realisiert werden konnte, wird intensiv mit oder über Laser geforscht und ein Ende der Entwicklung ist bis heute nicht abzusehen. Die Entstehung eines Laserstrahls wird durch die Aufnahme von Energie durch die Atome des jeweiligen Mediums ausgelöst. Die Elektronen geraten in Bewegung und die Energie wird als gebündeltes Licht wieder abgestrahlt. Nach der Art des Mediums werden die verschiedenen Laser als Festkörper, Gas- oder Flüssigkeitslaser bezeichnet. Die monochromatischen Lichtwellen eines Lasers sind überaus kohärent und zielgerichtet einsetzbar. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass der Einsatz von Laserstrahlen bei zerstörungsfreien Prüfverfahren für Industrie und im Baugewerbe steigende Zahlen aufweist.
Lasertechnologie ist in unzähligen Bereichen inzwischen unverzichtbar
Wissenschaft und Wirtschaft schwören auf Lasertechnologie
Untermauert wird die Erfolgstory der Lasertechnologie durch die Überreichung zahlreicher Nobelpreise für Physik, z.Bsp. 2018 an Arthur Ashkin, Donna Strickland und Gérard Mourou. Alle drei Wissenschaftler sind auf Lasertechnologie spezialisiert und stehen hier beispielhaft für die insgesamt 20 Forscher, deren Karrieren der Erforschung und Entwicklung von Lasern gewidmet sind und die seit 1964 diesen Preis überreicht bekamen. Mit seiner schon 1970 entwickelten optischen Pinzette schaffte Ashkin eine Schlüsselmethode für die Untersuchung der Kinetik und Mechanik zellulärer Motoren und Komponenten. Strickland und Mourou gewannen die zweite Hälfte des Preises mit der Entdeckung der Intensivierung ultrakurzer Laserlichtimpulse. Diese Erfindung war der Startschuss zu ultramodernen Hochleistungslasern, welche neue Forschungsfelder in der Physik eröffneten. Untersuchungen in kondensierter Materie gehören ebenso dazu wie neue Erkenntnisse über die Dynamik von Elektronenbewegungen innerhalb von Atomen. In der Praxis beweisen sich die intensiven Laserpulse. In der schwächeren Form in der Wärmebehandlung von Materialien eingesetzt, haben die stärker ausgeprägten Pulse Material schneidende und durchdringende Funktionen. Als bekanntestes Beispiel sind Hornhautoperationen am Auge sicher jedem ein Begriff.
Aber auch der wirtschaftliche Erfolg zeichnet die Lasertechnologie aus. Aktuelle Daten der Statista GmbH Hamburg ermitteln annähernd eine Verdreifachung des weltweiten Umsatzes mit Lasern seit 2006.
Lasertechnologie heute vielfältig einsetzbar
Unter Einsatz von Lasertechnologie gelang es 2017 erstmals, Gravitationswellen aus dem All zu messen. Damit kann die Europäische Weltraumagentur ESA zukünftig Rückschlüsse auf das Gewicht von Sternen ziehen. Die Industrie 4.0 verlässt sich auf die Lasertechnologie. Damit ist es möglich, digital konstruierte und simulierte Produkte mitsamt Fertigungsdaten durch voll automatisierte Fertigungsprozesse laufen zu lassen. Chemie-, Stahl-, Papier- und Lebensmittelindustrie werden davon profitieren, da jetzt kleinere Stückzahlen kostengünstig herzustellen sind.
Auch die Hersteller von Leichtbauprodukten profitieren von diesem Fortschritt, insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Im Mikrobereich des 3 D- Druckes spielen Laser eine entscheidende Rolle, wenn es um die Fertigung von Mikrolinsen und winzige Komponenten für Optik, Medizintechnik und biokompatiblen Materialien geht. Bei den Gedankenspielen um Autonomes Fahren bringen sich derzeit Forschungsinstitute und Firmen mit neuer LiDAR-Technik (light detection and ranging) in Stellung, um beim Zukunftsmarkt mitzumischen. Diese wird die Radarwellen ablösen – Autonome Autos werden mit Laserstrahlen sehen!
Im Kampf gegen die Klimaerwärmung liegt die Hoffnung auf Laser und LED. Grundlage ist der Versuch, die Photosynthese zu imitieren und somit der Atmosphäre CO2 zu entziehen. Zur Zeit wird intensiv nach Wegen gesucht, den Energieverbrauch so zu minimieren, dass tatsächlich ein positiver Klimaeffekt entsteht. Zum Schutz von Oberflächen ist das Laserauftragsschweißen bekannt. Dieses konnte jetzt vom Fraunhofer-Institut zu EHLA (extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen) weiterentwickelt werden und stellt eine ernsthafte Konkurrenz für herkömmliche Beschichtungsverfahren dar. Die Ausführung der Fortschritte in der Medizintechnik würde an dieser Stelle ebenso zu weit führen wie bei der Mikrochiptechnologie und der organischen Elektronik. Erwähnenswert sind aber auf jeden Fall die Fortschritte in Landwirtschaft und Viehzucht. So ist es mittlerweile möglich, mithilfe bestimmter Laser frühzeitig das Geschlecht von Hühnern im Ei zu bestimmen. Im Endeffekt kann dann die hochemotionale Diskussion über das Schreddern von Küken verstummen.
Forscher des Laserzentrums Hannover arbeiten an einer Lasertechnik, welche den massiven Einsatz von Pflanzengiften in der Landwirtschaft eindämmen soll. Bei diesem Ansatz schwächen Laser Unkraut so effizient, dass sie für die Nutzpflanzen keine Konkurrenz mehr darstellen. In jüngster Zeit verlässt sich auch die Modeindustrie auf immer genauer arbeitende Laser. Komplexe Schnittmuster werden zügig in reproduzierbarer Qualität hergestellt. Sogar beim Färben von Stoff leisten Laser ihren Beitrag und es können chemiefreie Kleidungsstücke in allen Farbschattierungen produziert werden. Die Lasertechnologie ist somit auf vielen Ebenen präsent und leistet Erstaunliches nicht nur für den Laien.
Lasertechnologie in zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP)
Mit Lasern ist es heute möglich, Werkstücke, Komponenten, Strukturen und Systeme auf charakteristische Schweißfehler, Abweichungen und Unvollständigkeiten zu überprüfen, ohne das geprüfte Material zu beschädigen oder zu zerstören.
Im Allgemeinen spricht man von drei Unterkategorien der Laserprüfung. So wird ein Laser bei der holographischen Prüfung eines Werkstücks genutzt, um Veränderungen an der Oberfläche von Materialien zu erkennen. Wenn das zu prüfende Objekt Belastungen ausgesetzt war wie Hitze, Druck oder Vibrationen, werden die Ergebnisse des Holgramms mit denen einer unbeschädigten Referenzprobe verglichen und auf Unterschiede untersucht. Je nach Ergebnis können Defekte aufgezeigt und Verbesserungspotenziale entwickelt werden. Bei der Laserprofilometrie wird der mit hoher Geschwindigkeit rotierende Laserstrahl unter Mithilfe einer Miniaturoptik benutzt, um ein 3D- Bild zu erzeugen, welches die Oberflächentopographie eines Werkstücks detailgetreu wiedergibt. Auf diesem sind dann Veränderungen wie Risse, Korrosion, Lochfraß und Erosion zu erkennen. Mithilfe der Laser- Shearografie nutzen die Prüfer die monochromatischen und kohärenten Eigenschaften des Laserlichts. Es wird vor Belastung eines Bauteils eine fotografische Momentaufnahme gemacht und mit einer nach der Belastung angefertigten verglichen. Über die Veränderungen verständigen sich die Prüfer über etwaige Defekte.
Kein Ende absehbar
Wie wir nun gesehen haben, sind die Anwendungsbereiche, für die der Einsatz von Lasertechnologie Fortschritte bringt, fast nicht mehr überschaubar. Für die ZfP bedeutet sie eine willkommene Komplettierung und erreicht Horizonte, welche durch die herkömmlichen Verfahren vielleicht nicht immer entdeckt werden können. Auch die übrigen Kennziffern in Forschung und Wirtschaft lassen ein weiteres Anwachsen der Technologie vermuten. Solange sie zum Wohle der Menschheit eingesetzt wird, ist das auch gut so!