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Je nachdem, welchen Stoff (Lasermedium) man anregt, unterscheidet man zwischen:
1) Gaslaser: Atomare und molekulare Gase können durch elektrische Entladungen zur Emission von Licht angeregt werden. Dies wird in den Gaslasern ausgenutzt. Man unterscheidet:
Atomare Laser (He-Ne-Laser, Metalldampflaser)
Infrarot-Moleküllaser (CO2-Laser)
Ionenlaser (Argonlaser)
Ultraviolett-Moleküllaser (Excimer-, N2-Laser)
(Chemische Laser - besitzen nur geringe Bedeutung)
Atomare Laser:
a) He-Ne-Laser: Der Helium-Neon-Laser ist der am häufigsten verwendete und der wirtschaftlichste Laser. Die Leistung kommerzieller Typen reicht von unterhalb 1mW bis zu einigen 10mW und ist damit relativ gering, reicht aber für viele Anwendungen (zum Vergleich: die Lichtleistung einer 60W-Glühbirne beträgt etwa 1 Watt; die Intensität, d.h. die Helligkeit einer bestrahlten Fläche, eines 1mW-Lasers mit einem Strahldurchmesser von etwa 1mm, ist aber um viele Zehnerpotenzen höher, da der Laser nur auf einen Punkt zielt, während die Glühbirne in alle Richtungen strahlt). Der He-Ne-Laser strahlt rotes Licht, es gibt aber auch Versionen in den Farben orange, gelb und grün und welche im infraroten Bereich. Letztere werden aber zunehmend durch Diodenlaser verdrängt. Die Wellenlänge des He-Ne-Lasers liegt zwischen 3391nm (infrarot) und 543nm (grün).
Im Kollegium Kalksburg wird ein rot strahlender He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von ca. 633nm verwendet.
b) Metalldampflaser: Eine höhere Leistung als die He-Ne-Laser besitzen die neutralen Metalldampflaser. Die wichtigsten Vertreter sind der Kupfer- und der Golddampf-Laser. Die Wellenlängen liegen im gelben und grünen (Cu) sowie im roten und ultravioletten (Au) Bereich. Die Leistungen gehen bis in den 10W-Bereich. Beide Laser haben einen hohen Wirkungsgrad (bis 1% für Cu) sowie eine Arbeitstemperatur um 1500°C, bei der geringe Mengen des Metalls verdampfen. Sobald dies geschieht, wird ein Edelgas unter geringem Druck zugesetzt und eine gepulste Gasentladung gezündet. Durch die Elektronen der elektrischen Entladung werden die Metallatome angeregt, so daß sie Laserstrahlung emittieren können. Die Pulsfolgefrequenz von einigen kHz kann so hoch sein, daß ein kontinuierlicher Eindruck entsteht. Kontinuierlicher Betrieb (Dauerstrichbetrieb) ist wegen der langen Lebensdauer des unteren Laserniveaus nicht möglich.
Eigenschaften von kommerziellen Cu- und Au-Lasern:
Einheit
Cu-Laser
Au-Laser
Wellenlänge
Nanometer (nm)
510,6 / 578,2
627,8
mittlere Leistung
Watt (W)
60
10
Pulsenergie
Millijoule (mJ)
10
2
Pulsdauer
Nanosekunden (ns)
15...60
15...60
Spitzenleistung
Kilowatt (kW)
< 300
50
Pulsfrequenz
Kilohertz (kHz)
5...15
6...10
Strahldurchmesser
Millimeter (mm)
40
40
Strahldivergenz
Radianten (rad)
0,6.10-3
0,6.10-3
Infrarot-Moleküllaser:
CO2-Laser: Der Kohlendioxid-Laser ist einer der wichtigsten Laser für industrielle Anwendungen. Er zeichnet sich durch eine hohe Leistung im kontinuierlichen Betrieb (bis zu 100kW) und einen großen Wirkungsgrad (10-20%) aus. Für wissenschaftliche und medizinische Anwendungen gibt es Versionen mit geringerer Leistung bis herunter zu 1W. Im Pulsbetrieb können Laserpulse im Bereich von ns bis ms erzeugt werden. Für Anwendungen in der Kernfusion wurden Pulsenergien bis etwa 100kJ erreicht. Es gibt eine größere Anzahl konstruktiver Varianten des CO2-Lasers, die alle ihre technische und kommerzielle Bedeutung haben. Die Wellenlänge des CO2-Lasers liegt zwischen 9μm und 11μm. Das Lasergas ist ein Gemisch aus CO2, Stickstoff (N2) und einem Zusatz von etwa 70% Helium. Das Edelgas dient zur Stabilisierung der elektrischen Entladung im Laserrohr und der Stickstoff zur Energieübertragung auf die CO2-Moleküle. Das Gasgemisch wird durch das Laserrohr gepumpt, da in der Entladung unerwünschte chemische Reaktionsprodukte entstehen (wie z.B.: Kohlenmonoxid). Werden zur Oxidierung von CO zu CO2 Katalysatoren, ähnlich wie im Auspuff eines Automotors verwendet, kann das Laserrohr abgeschlossen werden. Die Anregung der oberen Laserniveaus in CO2 geschieht durch Stöße mit N2 und Elektronen. Ähnlich wie der CO2-Laser funktioniert der seltenere CO-Laser, der bei 5μm strahlt.
Ionenlaser:
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Edelgasionenlasern und Metalldampfionenlasern (Cd, Se). Bei allen Ionenlasern handelt es sich um Gasentladungslaser, ähnlich den neutralen Atomlasern.
Ein Ion ist ein Atom, bei dem ein oder mehrere Elektronen aus den äußeren Bahnen abgelöst ist. Das Ion ist folglich positiv geladen, wobei die Ladung einer oder mehrerer Elementarladungen (1,602 . 10-19As) entspricht. Die verbleibenden Elektronen können wie in einem Atom angeregt werden und Laserlicht emittieren. Da zu jedem Atom mehrere Ionen gehören ergibt sich durch deren Existenz eine Vielzahl von zusätzlichen Laserlinien.
Edelgasionenlaser: Mit den ionisierten Edelgasen Ne, Ar, Kr und Xe wurde in Gasentladungen auf über 250 Linien im Spektralbereich von 175nm bis etwa 1100nm Lasertätigkeit erzielt. Je höher der Ionisationszustand ist, desto kürzere Wellenlängen entstehen.
a) Argonlaser: Der Argonionenlaser, welcher Leistungen von 60W (ultraviolett) bis 100W (Blaugrün) liefern kann, stellt einen der wichtigsten kommerziellen Lasertypen dar. Die Gasentladung wird mit einem so hohen Strom betrieben, daß bei einem beträchtlichen Anteil der Atome jeweils ein Elektron weggerissen wird: Aus dem Atom entsteht ein Ion. Das Ion im angeregten Zustand ist für die Emission der Laserstrahlung verantwortlich. Die Strahlung des Argonlasers liegt im grünen und blauen Spektralbereich. Die einzelnen Farben können durch Drehen eines Prismas im Resonator eingestellt werden. Die typischen Strahlleistungen betragen einige Watt, wofür eine elektrische Leistung von mehreren Kilowatt aufgewendet werden muß. Wegen der hohen Stromdichten ist die Technologie der Argonlaser kompliziert. An die Werkstoffe werden hohe thermische Anforderungen gestellt und um das wassergekühlte Laserrohr wird eine Spule gewickelt, die ein achsiales Magnetfeld erzeugt. Dadurch wird der Entladungsstrom in der Rohrmitte gehalten.
Ähnlich ist der Kryptonlaser aufgebaut, der rote Strahlung liefert. Vermischt man Argon und Krypton und erzeugt einen Laserstrahl, entstehen verschiedene Farben zwischen rot und blau.
Metalldampfionenlaser: Neben den Edelgasionenlasern existieren zahlreiche weitere Gaslaser, die auf Übergängen in Ionen beruhen. Technische Bedeutung hat allerdings bisher nur der He-Cd-Laser, ein Metallionenlaser. Da Metall verdampft wird, handelt es sich um einen Gaslaser.
b) He-Cd- und He-Se-Laser: Kontinuierliche Emission vom infraroten bis zum ultravioletten Spektralbereich kann mit Cadmium- und Selen-Ionen erreicht werden. Zur Anregung des Laserniveaus und zum Betrieb der Gasentladung enthalten diese Laser zusätzlich Helium. Aus Übergängen in Cd-Ionen werden 11 Laserlinien von 887,7nm bis 325,0nm und in Se-Ionen 46 Laserlinien von 1258,6nm bis 446,8nm beobachtet. Die Anregung des Cadmiums bzw. des Selens gelingt in einer Glimmentladung mit Helium in Entladungsgefäßen aus Quarzglas oder in Hohlkatodenentladungen. Im ersten Fall wird der Metalldampfdruck durch Heizen (Cd: 350°C, Se: 270°C) eines Metallreservoirs in der Nähe der Anode erzeugt. Durch die entladungsbedingte Drift der Metallionen zur Kathode stellt sich im Entladungsrohr ein gleichmäßiger Metalldampfdruck von etwa 8Pa ein.
Die aktive Länge der Entladungsrohre beträgt bis zu einem Meter. Die Rohre haben einen Radius von etwa 1mm oder mehr. Bei einem Heliumdruck von etwa 800Pa sind zum Betrieb des He-Cd-Lasers etwa 150mA und zum Betrieb des He-Se-Lasers 500mA Entladungsstrom notwendig.
Kommerziell werden He-Se-Lasern mit 1-5mW Ausgangsleistung im Spektralbereich von 460-650nm vertrieben. Die gewünschten Wellenlängenbereiche werden durch entsprechende Spiegel eingestellt. Die Ausgangsleistung kommerzieller He-Cd-Laser beträgt bei 325nm 1-8 mW und bei 441,6nm bis zu 60mW. Durch gleichzeitigen Betrieb der roten, grünen und blauen Linien kann weiße Laserstrahlung erzeugt werden. Die Lebensdauer abgeschmolzener He-Cd-Laser beträgt 6000 Stunden oder mehr (UV-Betrieb: etwa die Hälfte). Die Begrenzung der Lebensdauer erfolgt meist durch Verunreinigung der Entladung, Cd-Niederschläge an der Optik oder anderen Stellen, sowie Gasaufzehrung des Heliums. Der Wirkungsgrad von etwa 0,01% liegt bei dem des He-Ne- und Ar-Lasers. Die Laser sind in der Regel luftgekühlt. Der He-Cd-Laser kann dort eingesetzt werden, wo die Farbe des He-Ne-Lasers nicht richtig oder die Leistung etwas zu klein ist.
Ulraviolettmoleküllaser:
Gepulste Lasertätigkeit im ultravioletten Spektralbereich wird bei Übergängen zwischen Elektronenenergieniveaus in Molekülen erzielt. Dabei werden vorwiegend zweiatomige stabile Moleküle wie H2, N2 und Excimere als aktive Medien eingesetzt. Excimere sind Moleküle, die nur kurzzeitig im angeregten Zustand existieren und nach Übergang in den Grundzustand schnell zerfallen.
Wellenlängen der wichtigsten UV-Moleküllaser:
Molekül
Wellenlänge in nm
XeF
351...353
N2
337
XeCl
308
Br2
291
XeBr
282
KrF
248
KrCl
222
ArF
193
CO
181...197
ArCl
175
Xe2
172
H2, D2, HD
150...162
F2
158
Kr2
146
Ar2
126
Excimerlaser (Excimer = Abkürzung für excited dimer, zu deutsch \"angeregtes zweiatomiges Molekül\"):
Edelgase gehen keine stabilen chemischen Verbindungen ein, daher tragen sie das Attribut edel. Bringt man jedoch ein Edelgas (Neon, Argon, Krypton, Xenon) mit aggressiven Molekülen wie Chlor, Fluor oder Brom in einem Behälter zusammen und zündet durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Gasentladung, so entstehen für kurze Zeiträume Moleküle wie Argonfluorid (ArF). Diese Moleküle existieren nur im angeregten Zustand und auch so nur für circa 10-8s (0,00000001 s). Sie zerfallen unter Aussendung von intensivem Laserlicht in den Grundzustand, den es eigentlich nicht gibt (d.h. ArF zerfällt in Ar und F).
Das ausgesandte Laserlicht liegt im UV-Bereich, und wird für viele Anwendungen in Wissenschaft, Materialbearbeitung und Medizin verwendet. Die Laser können verständlicherweise nur gepulst (10 bis 100 Pulse) arbeiten, da die Excimersubstanzen durch ihren schnellen Zerfall keinen Dauerstrichbetrieb zulassen. Ihre Leistung liegt circa bei 10 Watt, bei Sonderausführungen für Materialbearbeitung wurden schon mehrere 100 Watt erreicht.
Der Aufbau von Excimerlasern erweist sich als äußerst kompliziert, da es durch die Aggressivität der Halogene (F, Cl, Br) zu Materialproblemen kommt. Nach einer Betriebszeit von nur wenigen Stunden muß das Gemisch aus dem Laser abgepumpt werden und es erfolgt eine neue Füllung. Die allerneuesten, vor allem in Deutschland entwickelten, Modelle besitzen abgeschlossene Rohre, bei denen kein Gasaustausch notwendig ist.
N2-Laser
Die Stickstofflaser funktionieren ähnlich wie Excimerlaser, doch entfallen bei ihnen, da keine aggressiven Substanzen vorhanden sind, die Materialprobleme. Der Aufbau ist deswegen relativ einfach, deshalb werden N2-Laser gerne in Laboren selbstgebaut. Der Laser liefert kurze Pulse mit einer Wiederholfrequenz von etwa 100Hz, wobei die Pulsdauer im Nanosekundenbereich liegt. Die stärkste Laserlinie im Spektrum besitzt die Wellenlänge 337nm (UV-Bereich), und sie eignet sich besonders gut zum Pumpen von Farbstofflasern. Der Nachteil der N2-Laser liegt darin, daß der Stickstoff zugeführte Energie nur sehr schlecht speichert, so daß die Pulsenergie des Lasers auf maximal 10mJ beschränkt ist. Daher und weil der Wirkungsgrad der N2-Laser nur 1 Promille beträgt werden meist die komplizierteren Excimerlaser bevorzugt.
Die Entladung des Gases beim N2-Laser erfolgt meist quer zur Strahlrichtung des Lasers. Die meisten Stickstofflaser benötigen einen kontinuierlichen Gasfluß, wofür eine Vakuumpumpe eingesetzt wird. Das Gas sollte absolut reiner Stickstoff sein (Ansonsten kann es zu Verschiebungen in der Wellenlänge kommen). Die Pulsdauer des Lasers ist stark von den Druckverhältnissen im Inneren abhängig. Bei Erdathmosphärendruck beträgt sie 0,3ns bei 103Pa bereits 20ns. Die Kohärenzlänge des N2-Lasers beträgt ungefähr 1mm.
Wegen dem notwendig hohen Verstärkungsfaktor besitzt der Strahl keine gute Qualität. Er ist unpolarisiert und bildet sich bei N2-Lasern höherer Leistungen aufgrund von transversalen Entladungen rechteckig ab.
2) 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 1,06μm. 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 0,69μm 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 1μm, beim Alexandritlaser zwischen 0,7 und 0,8μm.
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 γ-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 μm 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
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