Laser und Glasfasertechnik

"Laser" ist der erste Teil einer schriftlichen Ausarbeitung, die ich im Dezember 1996 f√ľr den Physikunterricht erstellen musste.
Das Thema war frei wählbar (musste im weitesten Sinne etwas mit Physik zu tun haben : - )), und da ich schon immer wissen wollte, wie ein Laser funktioniert, habe ich mir dieses Thema mal vorgenommen...
Wie gesagt, der erste Teil heißt "Laser" während sich der zweite Teil mit der Glasfasertechnik beschäftigt.

Nat√ľrlich darf der folgende Hinweis nicht fehlen : - )


Inhaltsverzeichnis
    Was ist ein Laser ? Wie erzeugt ein Laser ein "Lichtb√ľndel ?" 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 f√ľr elektromagnetische Schwingungen im Bereich der Lichtwellen". Ein Laser strahlt Licht aus.

In Grundz√ľgen kann man die Funktionsweise eines Lasers mit der einer Gl√ľhlampe vergleichen:
Dem Gl√ľhfaden der Gl√ľhlampe wird elektrische Energie zugef√ľhrt. Die Metallatome des Gl√ľhfadens laden sich mit dieser Energie auf, d.h. sie treten in einen h√∂heren Energiezustand und geben diese Energie in Form von Lichtteilchen (sogenannten Quanten oder Photonen) wieder ab. Danach kehren sie in ihren energie√§rmeren Zustand zur√ľck.
Jedes Atom sendet bei dieser Energie√§nderung seine Photonen unabh√§ngig von den anderen Atomen aus. Ergebnis: Es entstehen Lichtwellen mit ganz unterschiedlichen Wellenl√§ngen (Frequenzen). Diese Frequenzen nehmen das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes ein. Das Gemisch aller Farben im Bereich des sichtbaren Lichtes empfindet unser Auge als wei√ü. Die Gl√ľhlampe erzeugt durch die Energiezufuhr Lichtwellen, die sich nach allen Seiten ausbreiten, ganz im Gegensatz zum Laser.
Der erste Unterschied zwischen Gl√ľhlampe und Laser besteht darin, dass der Laser ein (nahezu) paralleles Lichtb√ľndel erzeugt (d.h. alle Lichtstrahlen werden in die gleiche Richtung ausgesendet), das nur aus einer einzigen Farbe besteht (es ist "monochromatisch"). Die Wellenl√§nge dieses vom Laser ausgesandten Lichtb√ľndels variiert von infrarot bis ultraviolett. Die einzelnen Wellen dieses parallelen Lichtb√ľndels schwingen zusammenh√§ngend (sie sind "koh√§rent"). Die Intensit√§t der Strahlung ist zudem viel h√∂her als bei normalem Mischlicht.



Wie erzeugt ein Laser ein
"Lichtb√ľndel" ?

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 Abk√ľrzung f√ľr "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", was √ľbersetzt "Lichtverst√§rkung durch k√ľnstlich 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 "zur√ľckgeschleudert". 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 verst√§rkt. Wenn der Strahl eine bestimmte Kraft (Intensit√§t) erreicht hat, "schie√üt" er durch die teilverspiegelte Strinfl√§che als dunkelroter (beim Rubinlaser), gleichschwingender Lichtstrahl nach au√üen.



So schaukelt sich
der Laser selbst auf
In einem normalen Material, zum Beispiel einem Gas, befinden sich fast alle Atome oder Molek√ľle im Grundzustand. Nur wenige Teilchen, die zuf√§llig durch einen Sto√ü oder ein einfallendes Photon angeregt wurden, sind in einem h√∂heren Energiezustand. Am Gesamtzustand des Materials √§ndert 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 zur√ľck und senden dabei jeweils ein Photon aus - unregelm√§√üig und nach beliebigen Richtungen: Das Gas leuchtet wie in einer Neonr√∂hre.
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 w√§re da der "Impulslaser" ("gepulster Laser") zu nennen, der seine Energie in kurzen Lichtb√ľndeln "abschie√üt". Auf der anderen Seite gibt es den "Dauerstrichlaser", der kontinuierlich ein Lichtb√ľndel aussendet.
Das aktive Medium eines Lasers kann ein Gas, eine Fl√ľssigkeit oder ein Feststoff sein.



Die Entwicklung des Laser

Vom Maser zum Laser
Bereits im Jahre 1917 erkl√§rte der Physiker Albert Einstein, dass ein "Aufladevorgang" (Physiker nennen das eine "Induzierte Emission"), wie er beim sp√§ter entwickelten Laser stattfindet, m√∂glich sein m√ľsse.
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 Mikrowellenverst√§rkung wurde sp√§ter unter der Bezeichnung MASER bekannt. MASER ist die Abk√ľrzung f√ľr "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation", was √ľbersetzt "Mikrowellenverst√§rkung durch k√ľnstlich angeregte Aussendung von Strahlung" bedeutet. Heutzutage wird der Maser haupts√§chlich beim Nachrichtenverkehr mit Erdsatelliten, in radioastronomischen Empfangsanlagen und bestimmten Richtfunkanlagen als Verst√§rker verwendet. Der Maser wird zus√§tzlich auch f√ľr den Betrieb von Atomuhren und als Generator f√ľr Millimeterwellen verwendet.
Verantwortlich f√ľr die Entwicklung des Masers waren u.a. die amerikanischen Physiker Charles Hard Townes, Arthur Leonard Schawlow und H.J. Zeiger. Sie besch√§ftigten sich, von der Radartechnik ausgehend, mit dem Bau von Mikrowellenlasern.
Das Maser - Prinzip wurde 1951 von Townes formuliert. Townes verwendete Ammoniakmolek√ľle. Er bestrahlte diese Molek√ľle mit einer Mikrowelle, deren Frequenz mit der Eigenfrequenz der Ammoniakmolek√ľle √ľbereinstimmte.
Durch diese Bestrahlung wurden die Molek√ľle in einen h√∂heren Energiezustand versetzt, die ihre Strahlung dann wieder verst√§rkt abgaben. Es entstand also eine Mikrowelle mit sehr hoher Intensit√§t. 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 f√ľnfziger Jahre den ersten Festk√∂rpermaser als Molekularverst√§rker.
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 f√ľr ihn: Der Atomphysiker Gordon Gould hatte sich ebenfalls mit der Theorie eines Lasers besch√§ftigt und bereits 1957 Aufzeichnungen √ľber seine Versuche beim Notar hinterlegt. Es kam zu einem endlosen Rechtsstreit, der erst 1977 mit einem Teilerfolg f√ľr Gould endete. Doch war es eben nur ein Teilerfolg, denn bereits 1960 wurde der Laser f√ľr Townes und Schawlow patentiert - oder besser gesagt: die Laseridee. Denn bis jetzt war es eben eine blo√üe Theorie, gebaut wurde der Laser bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht.
Zahlreiche Forscher "st√ľrzten" sich auf das Laser - Projekt. Der erste funktionierende Rubinlaser wurde jedoch nicht von einer gro√üen Universit√§t entwickelt sondern vom amerikanischen Physiker Theodore Harold Maiman in einem kleinen Nebenlabor der Hughes Aircraft Company. Dieser Rubinlaser wurde 1960 pr√§sentiert, 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 Festk√∂rper als aktivem Medium arbeitet, ist der Yttrium - Aluminium - Granat - Laser, abgek√ľrzt 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 f√ľr den Bruchteil einer Millisekunde zur Verf√ľgung.

Der nächste Laser ist der sogenannte Gaslaser.
Gaslaser enthalten als aktives Medium ein Edelgas, Metalld√§mpfe oder Molek√ľlgase.
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, w√§hrend der Argon - Laser ein blaues bis gr√ľnes Licht aussendet.
Eine wesentlich h√∂here Leistung als diese beiden Laser hat der Kohlendioxidlaser (CO2 - Laser), der ein infrarotes Licht aussendet. Der Kohlendioxidlaser wird vor allem f√ľr energieaufwendige Schneideaufgaben verwendet. Die leistungsschw√§cheren Gaslaser werden dagegen h√§ufig in Pr√§zisionsger√§ten f√ľr ber√ľhrungsfreies Messen eingesetzt. Das Einsatzgebiet reicht dabei z.B. von der Dickenkontrolle von Walzblech bis zur √úberwachung der Schwebeh√∂he 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 - √úbergang (pn - √úbergang) des Halbleiters zu nutze. Positiv - Negativ - √úbergang 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 f√ľr den Einsatz des Halbleiterlasers in der Nachrichten√ľbertragung (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 L√∂cher in Uhrensteine eines schweizer Uhrenherstellers. Mit dem verwendeten Festk√∂rperlaser war es m√∂glich, st√ľndlich vollautomatisch 20.000 Bohrungen durchzuf√ľhren, 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 Me√üger√§t finden Laser vielfach Verwendung. Z.B. werden Dicken, Entfernungen und Geschwindigkeiten ber√ľhrungslos mit dem Laserstrahl gemessen. Das Prinzip ist ganz einfach: Der auf die Oberfl√§che 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 ber√ľhmtes Beispiel hierf√ľr 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 Daten√ľbermittlung 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 Entfernungsme√üger√§te, Laser - Ortungsger√§te und Nachrichten√ľbermittlungsger√§te gibt es heutzutage schon (z.B. in Kampfpanzern, FlaRakPanzern, usw.). Ein Waffenbeispiel f√ľr Lasertechnik gibt es aus den USA: Dort wurde ein Landepanzer f√ľr die Marine entwickelt, der mit einem 400.000 Watt Laser ausger√ľstet war. Der Panzer war mit einer Panzerabwehrrakete vom Typ TOW best√ľckt, 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 Testgel√§nde f√ľr eine Laserkanone mit 2,2 Millionen Watt Leistung.
Ein bekanntes Beispiel f√ľr den Einsatz des Lasers als Waffe ist das 1983 vom US - Pr√§sidenten Ronald Reagan gestartete Programm zur Errichtung eines "Schutzschildes im Weltraum". Bekannt wurde dieses Projekt als "Strategic Defense Initiative" (SDI).

F√ľr den Einsatz als Abwehrwaffe gab es 1987 vier Laserarten, die daf√ľr geeignet schienen. Diese Laser waren in der Lage, w√§hrend der Antriebsphase einer Rakete (vom Abschu√ü der Rakete bis zum L√∂sen der Flugk√∂rper von der Antriebsrakete) diese durch einen Laserschu√ü zu zerst√∂ren.

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 n√§chstes √ľberlegte man, ob der "Freie - Elektronen - Laser" als Raketenabwehr geeignet w√§re.
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 Wellenl√§nge von einem Mikrometer eine Mindestleistung von ca. 1 Gigawatt (1 Million Kilowatt) h√§tte bringen m√ľssen. Die Wellenl√§nge von einem Mikrometer war unbedingt notwendig, da es in diesem Bereich keine atmosph√§rische Absorption gegeben h√§tte. Das wiederum war wichtig, da die Laserkanone ja durch die Atmosph√§re geschossen h√§tte.
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 gen√ľgend starken Laser zu entwickeln, der die ben√∂tigte 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 f√ľr 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. Anschlie√üend wird das Papier an der Fotoleitertrommel vorbeigef√ľhrt. Die Tonerpartikel auf der Fotoleitertrommel werden nun auf das Papier √ľbertragen. Das Papier wird im Vorheizsattel auf mehrere 100 C erhitzt und l√§uft danach durch die Fixierwalzen, in denen der hei√üe 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 geh√∂ren zu den Seitendruckern, d.h., dass immer eine komplette Druckseite in den Druckerspeicher √ľbertragen werden muss. Ein "Teilladen" einer Druckseite, wie z.B. bei Matrix - oder Tintendruckern, ist nicht m√∂glich.



Das CD - ROM - Laufwerk

CD ist die englische Abk√ľrzung f√ľr 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 - Oberfl√§che 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 ¬Ķm, einer Breite von 0,5 ¬Ķm und einer L√§nge von 1 ¬Ķm. Diese Pits werden entweder in die CD gepre√üt, 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, m√ľssen vorher in eine 14 - bis 16 - stellige Bin√§rkombination umgewandelt werden.
Beim Abspielen der CD werden die digitalen Informationen mit Hilfe eines optoelektronischen Tonabnehmersystems gelesen. Die Pits werden ber√ľhrungslos mit einem fokussierten Lichtstrahl eines Halbleiterlasers abgetastet; so werden z.B. die gespeicherten Musikinformationen √ľber einen Digital - Analog - Wandler (D/A - Wandler) in Stereosignale r√ľckgewandelt.

"Glasfaser" ist der zweite Teil meiner Ausarbeitung.
erste Teil: "Laser"

Inhaltsverzeichnis
    Wozu ben√∂tigt man Glasfasern ? Vorteile von Glasfasern Glasfasern √ľbertragen Licht Wie funktioniert ein Lichtwellenleiter ? Entwicklung der Glasfasertechnik Meilensteine der Glasfasertechnik




Wozu benötigt man Glasfasern ?


Fast jeder Haushalt und jede Firma besitzt heutzutage mindestens einen Personal Computer (PC). Bis vor kurzem war der PC ein "isoliertes" Gerät, von der Außenwelt total abgeschirmt. Das änderte sich in den vergangenen Jahren jedoch schlagartig. Internet und Multimedia waren die neuen Schlagwörter.

Pl√∂tzlich war man √ľber den PC und dem Telefon mit Hilfe eines Modem mit der ganzen Welt verbunden. Eine unersch√∂pfliche Informationsf√ľlle steht dem Anwender nun zur Verf√ľgung, die er sich auf den heimischen PC laden kann.

Zu Anfang bestanden diese Informationen meistens nur aus Texten, aber mit Aufkommen des "World Wide Web" (WWW) begann das Multimediazeitalter im ehemals milit√§rischen Internet. Ab sofort wurden Musik, Filme, bewegte Grafiken und die jetzt aktuellen "Java - Programme" √ľbertragen. Das ist ja auch alles ganz prima, nur gab es ein Problem, das sich in der Gegenwart zum Hauptproblem entpuppt: Immer mehr Menschen gehen "ans Netz" und immer mehr Daten werden auf den heimischen PC "gesaugt". Alles wuchs explosionsartig (die "Surfer" genauso wie die "Server"), nur das Telefon - und Datennetz blieb auf dem Stand von vorgestern. Durch die riesigen Datenmengen, die √ľbertragen werden, wird das Telefonnetz zur Zeit v√∂llig √ľberlastet.

In Deutschland sind die meisten Telefonleitungen einfache Kabel (z.B. Kupferkabel), durch die sich die Daten in Form von elektrischen Signalen ("analog") "durchquetschen" m√ľssen. Von immer mehr Internet - Nutzern werden immer mehr Informationen durch die Leitungen "gejagt", und der Flaschenhals "Telefonnetz" wird immer enger - bis zum absoluten Stillstand.
Doch das soll in Zukunft anders werden. "Digitalisierung des Telefonnetzes" und "Austausch der alten Kabel gegen Lichtwellenleiter" sind die neuesten Ziele.

Digitalisierung kann man folgendermaßen kurz erklären:
Informationen, egal ob normale Telefongespr√§che oder andere Daten, werden nicht mehr durch elektrischen Signale (wie bei der analogen √úbertragung) √ľbertragen, sondern digital. Die √úbertragung erfolgt bin√§r, d.h. in Form von 1 und 0 (oder auch "An"/"Aus").

Ein kleiner Vorteil der digitalen Übertragung ist z.B. der Wegfall des "Leitungsrauschens", das es zur Zeit bei Telefongesprächen noch gibt, und das so manches Modem schon zum "Absturz" gebracht hat.
In Deutschland gibt es schon seit einigen Jahren ein volldigitalisiertes Netz, welches parallel zum "normalen" Telefonnetz von der Telekom betrieben wird: ISDN. ISDN steht f√ľr "Integrated Services Digital Network" (= "Integrierte Dienste im digitalen Netzwerk").

Digitale Informationen k√∂nnen durch Licht (Licht "An" = 1, Licht "Aus" = 0) dargestellt werden. Durch Glasfasern wird dieses Licht √ľbertragen. Bis jetzt wurden die Informationen oft unter Verwendung von Radiowellen √ľbertragen, dem die Nachrichten "aufgepr√§gt" wurden. Wellen dieser Art waren nicht nur f√ľr den Funk (√úbertragung durch die Luft) geeignet, sondern nutzten auch die Kabelwege (z.B. Draht) bestm√∂glich aus. Radiowellen haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Ihre Bandbreite ist begrenzt, d.h. √ľber Radiowellen k√∂nnen nur eine bestimmte Menge an Informationen √ľbertragen werden. Licht dagegen hat eine etwa einhundert mal so gro√üe Bandbreite wie die aller Radiowellen zusammen. Es w√ľrde sich also hervorragend zur Daten√ľbertragung eignen.


Vorteile der Glasfasern
    keine Störbeeinflussung durch elektromagnetische Felder große Übertragungskapazität bei kleinem Gewicht und geringen Abmessungen elektrische Isolation zwischen Sender und Empfänger Vereinfachung der Gerätetechnik, Blitzschutz keine Funkenbildung bei mechanischem Defekt in weiten Bereichen frequenz - und temperaturunabhängige Kabeldämpfung


Glasfasern √ľbertragen Licht

Werden Glasfasern haarfein gezogen, verlieren sie eine Eigenschaft, das Glas normalerweise hat: die Zerbrechlichkeit. Glasfasern sind flexibel wie Seide, lassen sich also auch "um Ecken und Kanten" verlegen.
Das Herstellen solcher Glasfasern ist prinzipiell ganz einfach: Von einem erhitzten Glasstab wird mit Hilfe einer sogenannten "Glasbl√§serlampe" ein d√ľnner Faden abgezogen und an einer Trommel befestigt. Diese Trommel rotiert mit etwa 600 bis 700 Umdrehungen in der Minute. Die Trommel zieht nun von dem weiterhin erhitzten Glasstab einen d√ľnnen Faden ab und wickelt ihn auf. Diese so gewonnenen Glasfasern k√∂nnen nun beliebig weiterverwendet werden.

Schon sehr fr√ľh wurde dieses Verfahren in Murano bei Venedig angewendet, um Glasfasern herzustellen. Nur wurden sie damals nicht zur Daten√ľbertragung, sondern f√ľr Flechtarbeiten und "Federb√ľschel" verwendet.
Später kamen die ersten Seidenstoffe auf, bei denen die Naturseide mit der sogenannten Glasseide "gestreckt" wurde.
Die fr√ľhen Fasern waren nat√ľrlich noch nicht mit den heutigen Glasfasern zu vergleichen. Das lag vor allem an der Qualit√§t des Glases.

Erst im Jahr 1850 wurde ein neues Glasrezept entwickelt, welches es möglich machte, die Fasern auf Stärken zwischen 1/100 und 6/1000 Millimeter auszuziehen. Heutzutage können die Fasern bis zu einer Stärke von nur 3/1000 Millimeter ausgezogen werden.


Wie funktioniert ein Lichtwellenleiter ?

Im luftleeren Raum bewegt sich das Licht mit ca. 300.000 Kilometer in der Sekunde. Aber eben nur im luftleeren Raum. Jeder andere Stoff "schluckt" das Licht mehr oder weniger stark. Auch Glas ist ein "Lichtschlucker". Diese Dämpfung wird, wie Schall, in Dezibel (dB) gemessen.
Aus diesem Grund m√ľssen die Fasern aus besonders "durchsichtigem" hochreinen Glas bestehen, um den dB - Wert gering zu halten. Die ersten Glasfasern hatten eine D√§mpfung von 20 dB, was bedeutet, dass nach einem Kilometer Faserl√§nge nur noch 1/100 der eingegebenen Lichtwellenenergie nachweisbar war.
Die folgende Tabelle zeigt die Dämpfung von verschiedenen Materialien:

Medium
Dämpfung in dB/Km
Eindringtiefe bei 30 dB
in Meter
Fensterglas50.000
0,6

optisches Glas3.000
10

dichter Nebel500
60

Atmosph√§re √ľber Stadtgebiet10
3.300

Lichtleiter<3
> 10.000

Einmodenfasern0,1
300.000



Heutige Glasfasern haben einen D√§mpfungswert von ca. 0,2 dB. Erst nach etwa 30 Kilometern muss das Signal verst√§rkt werden. Demgegen√ľber muss das Signal z.B. beim Koaxialkabel etwa alle 2 Kilometer verst√§rkt werden.

Grundsätzlich bestehen Lichtwellenleiter aus haarfeinen Glasfasern, die mit einem Glasmantel umgeben sind.
Es gibt 3 Glasfasertypen, die sich durch die Art der Fortpflanzung des Lichtes unterscheiden.
"Mehrwellige Multimode - Glasfasern" reflektieren die Lichtimpulse "zickzackförmig".
Der n√§chste Typ sind die "Gradientfasern", die ebenfalls mehrwellig sind. Durch mehrere, nach abnehmender Dichte angeordnete Glasschichten um den Kern, wird f√ľr eine weiche Reflexion der Lichtimpulse gesorgt.
Der dritte Typ sind die besonders d√ľnnen, einwelligen "Monomode - Glasfasern". Durch diese Glasfaser wird der Lichtstrahl ohne Reflexion streng geradeaus gef√ľhrt.

Die Daten werden durch optische Impulse √ľbertragen. Dazu m√ľssen sie, wie schon gesagt, in digitaler Form vorliegen. Bei Computerdaten, die √ľbertragen werden sollen, stellt das auch kein Problem dar, da sie ja grunds√§tzlich digital sind. Nur analoge Daten (elektrische Signale), z.B. bei Telefongespr√§chen, m√ľssen von einem A/D - Wandler in digitale Impulse umgewandelt, durch das Kabel geschickt, und am anderen Ende wieder in elektrische Signale umgewandelt werden.

Jede einzelne Glasfaser braucht ihren Sender und Empfänger an den Enden.
Als Sender kommen z.B. eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode (LD) in Frage, die Lichtimpulse erzeugen.
Die Leuchtdiode (LED) hat eine √ľbertragbare Bitrate von 34 Mbit/s. Ihre Lebensdauer ist extrem hoch und der Preis relativ niedrig. Die Laserdiode (LD) hat eine √ľbertragbare Bitrate von √ľber 2 Gbit/s. Leider hat sie nur eine niedrige Lebensdauer, was auf die hohe Temperatur - und Alterungsabh√§ngigkeit des Laserlichtes zur√ľckzuf√ľhren ist. Au√üerdem ist der Preis sehr hoch (teure Produktionskosten, komplexe Steuerung).
Als Empfänger auf der Gegenseite wird meistens eine Art Fotozelle eingesetzt, die die Lichtimpulse "in Empfang" nimmt.

Handelt es sich bei den √ľbertragenen Daten um vormals analoge Daten (z.B. ein Telefongespr√§ch), so werden die Impulse durch einen D/A - Wandler wieder in elektrische Signale umgewandelt.

Mit zwei Glasfasern k√∂nnen knapp 2.000 Telefongespr√§che gleichzeitig √ľbertragen werden. Mehrere Lichtwellenleiter k√∂nnen zu einem Lichtwellenleiterkabel zusammengesetzt werden.


Entwicklung der Glasfasertechnik


Eines der ersten Glasfaserkabel wurde im Jahr 1970 von der amerikanischen Firma Corning Glass Works vorgestellt. Etwa zur gleichen Zeit stellte auch die Firma Nippon Electric Co. in Japan ein 20 dB - Glasfaserkabel vor.
Kurz darauf entwickelte Charles K. Kao von der Standard Telecommunication Laboratories der ITT in England ein Multimode - Glasfaserkabel mit geringer Dämpfung und einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s.
Bereits 1973 brachte Corning Glass Works einen Lichtwellenleiter mit nur 2 dB/km Dämpfung vor. Dieser Wert konnte kurze Zeit später auf 0,85 dB/km verringert werden.
1979 gab es dann Fasern mit einer Dämpfung von nur 0,7 dB/km.
1976 pr√§sentierten die Bell - Laboratories ein Glasfaserkabel, das aus 144 einzelnen Glasfasern bestand und mit dem knapp 50.000 Telefongespr√§che parallel √ľbertragen werden konnten. Das Kabel hatte nur einen Durchmesser von 1,27 cm.
In der folgenden Zeit wurden viele Versuchsnetze mit Lichtwellenleitertechnik installiert, z.B. in Japan, England und Deutschland.
In Deutschland hieß das Projekt BIGFON (Breitbandiges Integriertes Glasfaser - Fernmelde - Ortsnetz).


Meilensteine der Glasfasertechnik

1979 schafften es die Japaner, die D√§mpfung auf 0,2 dB/km "herabzudr√ľcken". Zeitgleich gelang es in den Bell - Laboratories, mit Glasfasern eine √úbertragungsrate von 200 Gbit/s zu erreichen.
Auch die Entwicklung der Sender schritt voran. Gallium - Arsenid - Laser (GaAs - Laser) wurden eingesetzt. Dieser Laser sendete einen Lichtstrahl aus, der einen Durchmesser von nur 2 Mikrometern hatte. Dieser Lichtstrahl konnte die Monomode - Glasfaser voll ausnutzen.
Auch als Seekabel sollten Lichtwellenleiter eingesetzt werden. 1982 wurde erstmals ein 20 Kilometer langes Glasfaserkabel in Betrieb genommen. Dieses Kabel kam ohne Verstärker zurecht und arbeitete mit 34 Mbit/s.
1985 wurde dann an der Mittelmeerk√ľste ein 80 Kilometer langes Kabel mit einer √úbertragungsrate von 140 Mbit/s in Betrieb genommen. Pro Faserpaar konnten 3.840 Telefonkan√§le geschaltet werden.

In den 80er Jahren wurde dann ein Transatlantikkabel in Glasfasertechnik (TAT - 8) installiert. Dieses Kabel hatte eine Übertragungskapazität von fast 40.000 Telefongesprächen.
Drei Faserpaare wurden verlegt: Eines von den USA nach England und eines von den USA nach Frankreich. Das dritte Kabel, das von den USA bis zu dem Punkt verl√§uft, an dem sich die Kabel vor der europ√§ischen K√ľste trennen, ist als Ersatzkabel gedacht, falls in der Hauptleitung ein Fehler auftritt.

In den Labors wird derzeit kr√§ftig weiterentwickelt. Eine Forschungsgruppe von AT&T Bell Laboratories in den USA verbesserte den Verst√§rkerabstand auf 68,3 Kilometer und die √úbertragungsrate auf 20 Milliarden Bit/s. Das entspricht etwa 300.000 gleichzeitig gef√ľhrten Telefongespr√§chen; aber es waren eben nur Laborversuche.
1990 experimentierten Wissenschaftler mit zwei Wellenl√§ngen des Lichts auf einem Glasfaserkabel. Dies f√ľhrte nochmal zu einer Verdoppelung des Datendurchsatzes.

Bis zum Jahr 1990 waren in Deutschland bereits etwa 1 Million, in Gro√übritannien √ľber 800.000, in Frankreich ca. 500.000 und in Italien ca. 200.000 Kilometer Glasfaserkabel verlegt.

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