Festkörperlaser:

Das aktive Medium bei den meisten Festkörperlasern besteht aus Kristall- oder Glasstäben von einigen cm Länge und wenigen mm Durchmesser, welche mit optisch wirksamen Ionen dotiert sind. Dabei werden meist Übergangsmetalle wie Cr (Rubin- oder Alexandrit-Laser), Ni, Co oder seltene Erden wie Nd, Er oder Ho verwendet. Die Laserstrahlung entsteht in inneren ungefüllten Schalen, die weitgehend vom Kristallfeld abgeschirmt sind. Die Laserstrahlen liegen im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich. Während Gas- und Moleküllaser durch Gasentladungen angeregt werden, erfolgt die Energiezufuhr bei Festkörperlasern meist durch Blitz- oder kontinuierliche Bogenlampen. Man nennt diesen Vorgang optisches Pumpen. Das eingestrahlte Pumplicht wird von den Atomen absorbiert, mit denen der Kristall dotiert ist. Oftmals wird der Name des Lasers durch die Atomart statt durch den Namen des Kristalls bestimmt; z.B.: Nd-Laser, Er-Laser, Ho-Laser. Der Kristall selbst ist hauptsächlich Träger für die eingebauten Atome, verändert jedoch auch die Energieniveaus der Atome. Das absorbierte Licht wird auf das obere Laserniveau übertragen, und beim Zerfall der Atome entsteht die Laserstrahlung.

a) Neodymlaser: Der wichtigste Festkörperlaser ist der Nd-Laser, bei dem die Strahlung in Nd-Atomen entsteht, mit denen der Kristall dotiert ist. Oft werden YAG-Kristalle (Yttrium-Aluminium-Granat) benutzt, die künstlich aus einer Schmelze gezogen werden. Der Laser strahlt im nahen infraroten Bereich bei Wellenlängen um 1,06m. Im kontinuierlichen Betrieb liegen die Leistungen bei einigen 10 Watt für die Medizin und bei einigen Kilowatt in der Materialbearbeitung. Als Neuentwicklung der letzten Jahre entstanden Neodymlaser, die mit winzigen Halbleiterlasern optisch gepumpt werden. Diese zeichnen sich durch hohen Wirkungsgrad und hervorragende Strahlqualität aus. Auch gepulste Neodymlaser besitzen Bedeutung in Wissenschaft, Medizin und Materialbearbeitung. Durch besondere technische Maßnahmen gelingt es, die Pulsdauer in den Nanosekundenbereich zu reduzieren. Innerhalb dieser kurzen Zeit kann das System Leistungen von mehreren Gigawatt aussenden. Die Energie berechnet man aus Leistung mal Zeit. Für 1ns und 1GW erhält man 1Ws, was wenig erscheint aber einen sehr kräftigen Lichtpuls darstellt.
Durch Verfahren der Frequenzvervielfachung in Kristallen kann die Strahlung des Nd-Lasers in den sichtbaren und ultravioletten Bereich verschoben werden.

b) Rubinlaser: Rubin ist ein Kristall aus Aluminiumoxid (Al2O3 = Saphir), der seine rötliche Färbung durch einen 0,5 prozentigen Zusatz von Chrom erhält. Damit werden im Kristallgitter ungefähr 1019 Al3+- durch Cr3+-Ionen ersetzt. Diese Atome sind für die Laserstrahlung bei 0,69m im Rotbereich verantwortlich. Der Rubinlaser wird vorwiegend gepulst angeregt und heute vorwiegend in der Holographie verwendet.

c) Vibronische Festkörperlaser: Ähnlich wie Farbstofflaser können vibronische Festkörperlaser auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden. Dabei haben sie einen stabilen Aufbau und eine intensivere Emission. Durch den Einfluß von Gitterschwingungen (daher der Ausdruck "vibronisch") werden die Laserlinien spektral so breit, daß der Laser Strahlung verschiedener Wellenlänge aussenden kann. Durch Veränderung des Resonators, z.B. kippen eines optischen Reflektionsgitters, wird die Wellenlänge kontinuierlich verändert. Beim Titan-Saphir-Laser liegt der Bereich zwischen 0,7 und 1m, beim Alexandritlaser zwischen 0,7 und 0,8m.


Lasersicherheit:
Als oberstes Sicherheitsgebot ist zu beachten, daß Laserlicht Augenschäden anrichten kann. Daher ist es zu empfehlen, nie direkt in den Laserstrahl zu sehen. Als direkter Blick sind alle Sehbedingungen unter denen das Auge der Laserstrahlung ausgesetzt ist (ausgenommen Betrachtung ausgedehnter Quellen) zu interpretieren.
Unter Sicherheit versteht man in diesem Belang alle notwendigen Maßnahmen, um Unfälle mit Lasern zu vermeiden:
Beschilderung: Jede Lasereinrichtung muß Schilder tragen, die entsprechend den Anforderungen der folgenden Abschnitte beschriftet sind: Die Schilder müssen ihrem Zweck entsprechend dauerhaft angebracht, lesbar und während des Betriebs und der Service- und Wartungsarbeiten deutlich sichtbar sein.
Jede Lasereinrichtung muß ein Hinweisschild, das die entsprechende Laserklasse bezeichnet, tragen, außerdem müssen laserspezifische Hinweise angebracht sein (z.B. "Streustrahlung vermeiden"). Weiters müssen an allen entfernbaren Schutzgehäusen und Abdeckplatten Gefahrenhinweise befestigt sein.
Als Informationen für den Benutzer müssen Anweisungen für den richtigen Zusammenbau, die Wartung und den sicheren Betrieb, Warnungen, Angaben über Strahldivergenz, Impulsdauer, maximale Ausgangswerte der Laserstrahlung, Hinweise auf alle Laserstrahlaustrittsöffnungen, Justiereinrichtungen und Energieversorgung mitgeliefert werden.

Anwendungen:
1) Medizin: Jede neu entdeckte Art von Strahlung wurde bisher von den Medizinern begierig aufgegriffen, um sie auf ihre therapeutische oder diagnostische Wirkung hin zu untersuchen (z.B.: Röntgen- oder -Strahlung). Sichtbares Licht wird in der Medizin seit Jahrhunderten eingesetzt, ebenso wie Licht der benachbarten ultravioletten und infraroten Spektralgebiete. Inzwischen ist die Lasertechnik in nahezu alle medizinischen Fachgebiete eingedrungen. Bei jeder neuen Anwendung der Lasermedizin mußten und müssen folgende Kriterien geprüft werden:
. Ist die Lasertherapie effektiver, weniger schmerzhaft und komplikationsärmer für den Patienten als konventionelle Methoden?
. Ist sie für den Operateur und das Personal einfacher zu handhaben?
. Verkürzt sich durch die Laseroperation der Aufenthalt im Krankenhaus?
. Kann der höhere Kostenaufwand für das Lasergerät durch spezielle Vorteile gegenüber anderen Behandlungsmethoden gerechtfertigt oder ausgeglichen werden?
. Werden mit dem Laser bisher unmögliche Behandlungen möglich?
Gegenwärtig hat die Medizin einen Anteil von etwa 20% am gesamten nichtmilitärischen Lasermarkt.
Methoden der Lasermedizin:
Durch die Entwicklung unterschiedlicher Lasertypen haben sich später neuartige biologische Effekte und medizinische Methoden entwickelt. Folgende Laser setzt man in folgenden medizinischen Zweigen ein:
Medizinischer Zweig Lasertypen

Onkologie Nd:YAG, CO2, Farbstofflaser
Zahnheilkunde Er:YAG
Ophthalmologie Ar+, Kr+, Excimer, Ho:YAG, Nd:YAG (Puls)
Pulmologie Nd:YAG
Angioplastie Nd:YAG (Puls), Er:YAG, Farbstofflaser
Gastroenterologie Ar+, Nd:YAG

Dermatologie Ar+, CO2, Farbstofflaser
Gynäkologie Nd:YAG, CO2

Urologie Nd:YAG, Alexandrit
HNO Nd:YAG, CO2, Er:YAG

Neurochirurgie CO2, Nd:YAG

Folgende Verfahren werden heute eingesetzt:
. Schneiden mit dem "Laserskalpell" (Wärmewirkung)
. Koagulieren (Erhitzung von organischem Gewebe bis das Eiweiß gerinnt) zur Gewebsvernichtung (Wärmewirkung)
. Verschweißen von Schichten und Gefäßen (Wärmewirkung)
. Abtragen von Gewebe (Photablation = Abtragen von Oberflächenmaterial durch intensive gepulste Laserstrahlung, ohne daß Wärme weitergeleitet wird)
. Zerreißen von Strukturen (Photodisruption = Zerstörung durch funkenartigen Überschlag)
. Bestrahlen von Gewebe (photochemische Wirkungen = durch Laserlicht ausgelöste chemische Reaktionen)
. Biostimulation (photochemische Reaktionen)
Der Arzt entscheidet, mit welchem Verfahren er das medizinische Problem angeht. Für die Entscheidung sind folgende Parameter von Bedeutung:
. Laserleistung und Leistungsdichte

. Bestrahlungsdauer
. Wellenlänge, welche die Eindringtiefe in das Gewebe bestimmt
Sichtbare Laserstrahlung und infrarotes Licht bis 3 m Wellenlängen können durch Glasfasern geleitet werden. Damit kann die Strahlung auch in Blutgefäße, den Magen und andere Körperhöhlen eingeführt und dort gezielt eingesetzt werden. Dies geschieht oft in Verbindung mit optischen Beobachtungssystemen, den Endoskopen, so daß eine gezielte Behandlung auch im Körperinneren möglich ist.

Schneiden ohne Blutung: Hauptsächlich wird der CO2-Laser mit einer Leistung von etwa 50 W zum Schneiden eingesetzt, der eine Wellenlänge von 10,6 µm hat, eingesetzt. Diese liegt im infraroten Bereich und die Strahlung dringt nicht sehr tief ins Gewebe ein.
Zum chirurgischen Schneiden wird die Laserstrahlung mittels einer Linse fokussiert, so daß ein Brennfleck mit etwa 0,1 mm Durchmesser entsteht. Dort steigt die Temperatur schnell auf mehrere 100°C an, so daß das Gewebe verdampft. Durch die Wärme koaguliert das Gewebe am Schnittrand und kleine Blutgefäße verschließen sich. In der Chirurgie wird mit Lasern geschnitten, in den Fällen, in denen es nicht bluten soll und eine hohe Präzision erforderlich ist (z.B. Entfernung von Hirntumoren).

Koagulieren von Gewebe: Die Strahlung des Nd:YAG-Lasers (infrarot) besitzt eine Wellenlänge von 1,06 µm und dringt einige mm ins Gewebe ein. Die Energie wird auf ein größeres Volumen als beim CO2-Laser verteilt, daher steigt die Temperatur nur langsam. Der Temperaturanstieg führt zu Koagulation, d.h. zur Zerstörung wichtiger Moleküle. Mediziner benutzen den Laser mit 50 W zur präzisen Vernichtung von bösartigem Gewebe (Tumore, .). Ein großer Vorteil gegenüber dem CO2-Laser liegt in der einfacheren Handhabung, da der Nd:YAG-Laserstrahl durch Quarzfasern geführt werden kann.

Verschweißen durch Koagulation: Für das Wiederanschweißen der Netzhaut wird vor allem der Ar-Laser verwendet: Man richtet den Strahl auf die defekte Stelle, schaltet dann den Strahl des 2 W-Lasers, der auf einen Durchmesser von 2 µm fokussiert ist, für einige Zehntelsekunden ein. Durch den Temperaturanstieg koaguliert und verklebt sich das Gewebe mit dem Untergrund.
Auch Gefäßwände werden durch Koagulieren verschweißt. Durch die Hitzewirkung werden Adern dauerhaft verbunden.

Abtragen von Gewebe durch Photoablation: Durch einen gepulsten Laser wird Gewebe präzise weggerissen, so daß die darunterliegenden Schichten nichts davon spüren. Das wird in der Mikrochirurgie (Hornhautschliff), in der Angioplastie (Öffnen verstopfter Blutgefäße, vor allem am Herzen) und in der Zahnheilkunde (Bohren) eingesetzt. Es werden hauptsächlich Er:YAG-Laser und Excimerlaser verwendet. Die Pulsdauer liegt meistens bei Nano- bis Millisekunden.

Zerreißen durch Laserfunken: Fokussiert man die Strahlung eines kurzen, intensiven Laserpulses, so sammelt sich die Lichtenergie im Brennpunkt. Dort werden die Elektronen von den Atomen gerissen und es tritt Plasma in Form eines Funkens auf. Um den heißen Fokus wird das Gewebe zerrissen. Anwendungen sind in der Augenheilkunde (Zerreißen von trüben Strukturen im Augapfel) und in der Lithotripsie (Steinzertrümmerung). Verwendet werden gepulste Nd-Laser mit Pulsdauern von 10 ns und Pulsleistungen im MW-Bereich.

Bestrahlen in der photodynamischen Therapie: Dabei erhält der Patient den Farbstoff Haematoprophyrin Derivat in den Blutkreislauf eingebracht. Dieser lagert sich in Tumoren ab und bildet atomaren Sauerstoff, der mit Hilfe von Laserstrahlung (Au-Laser, mehrere Watt Leistung, tief ins Gewebe eindringender Strahl) den Tumor zerstören kann.

Biostimulation und Akupunktur: Biostimulation ist die flächenförmige Bestrahlung von Gewebe mit sehr schwachen Lasern (mW-Bereich). Es gibt keine direkte Wirkung. Wird in vielen Bereichen der Medizin angewendet, u.a. Kosmetik. Die Akupunktur ist eine punktförmige Bestrahlung von Gewebe, ebenfalls ohne schulmedizinisch erwiesene Wirkung.


Medizinische Anwendungsbereiche:
. Augen

. Hals, Nasen, Ohren
. Harnsystem

. Magen und Darm
. Haut (Tätowierungsentfernung)
. Gefäße . Zähne . Gehirn