One Two
« Oktober 2017 »
Oktober
MoDiMiDoFrSaSo
1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031
Kontakt

Univ.-Prof. Dr.

Matthias Frentzen

Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität

Raum: 131/132, 1.Etage

Tel.: 0228/287-22470

Mail: frentzen(at)uni-bonn.de

 
Sie sind hier: Startseite Ultrakurzpulslaser-Technologie - Was ist das?

Ultrakurzpulslaser-Technologie - Was ist das?

Ultrakurzpuls

Ultrakurzpulslaser-Technologie: Was ist das?

Laserstrahlung kann im Rahmen der Materialbearbeitung zu sehr unterschiedlichen Effekten führen: Material/Gewebe kann z.B. durchstrahlt, erwärmt oder entfernt werden. Die Wirkung der Laserstrahlung hängt von verschiedenen Kenngrößen ab. Hierzu zählen zum einen die Kenngrößen des Lasers selbst, wie z.B. die Wellenlänge (Farbe) der Strahlung, die applizierte Energie und der Betriebsmodus, und zum anderen die Materialeigenschaften wie beispielsweise Absorption und Wärmeleitung. Voraussetzung für gute Interaktion ist eine gute Abstimmung der Eigenschaften aufeinander.

 

Der Betriebsmodus: Dauerstrich oder gepulst

Ein wichtiges Merkmal zur Charakterisierung eines Lasers ist sein Betriebsmodus.  Es wird hierbei zwischen dauerhaft emittierter („cw“-continuous wave) und gepulster Strahlung unterschieden. Der Betriebsmodus eines cw-Lasers gleicht dem einer gewöhnlichen Lampe: Die Emission kennt nur die Zustände „an“ oder „aus“. Dieser Analogie folgend entspricht der Pulslaser einer Art Stroboskop, welches das Licht sehr schnell hintereinander ein- und wieder ausschaltet. Für die Laserstrahlung ergibt sich daraus funktionsbedingt eine unterschiedliche Leistungsverteilung. Ein 5 W cw-Laser emittiert kontinuierlich Licht mit einer Leistung von 5 W. Ein gepulster 5 W Laser hingegen emittiert dieselbe Leistung nur durchschnittlich, während die Leistung eines abgegebenen Pulses i.d.R. wesentlich höher ist. Beträgt die Dauer eines Pulses z.B. 1/10 s und der Laser emittiert 5 Pulse pro Sekunde, so ist dieser nur 50% der Zeit tatsächlich an. Wenn seine durchschnittliche Leistung 5 W beträgt, die Hälfte der Zeit aber gar keine Leistung übertragen wird, muss folglich jeder Puls die doppelte Leistung übertragen, nämlich 10 W. Allgemein gilt, dass die Pulsleistung umgekehrt proportional zur Pulsdauer ist: Je kürzer der Puls, desto höher ist auch seine Leistung.

 

Möglichkeiten zur Erzeugung von Laserpulsen?

Zur Erzeugung von Laserpulsen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Im einfachsten Fall erfolgt die Pulsung durch die mechanische Unterbrechung eines Dauerstrichlasers. Dies geschieht zum Beispiel mit Hilfe eines Chopperrads, das den austretenden Strahl in kurzen Abständen abblockt und wieder freigibt. Die hierbei erzeugte Pulsdauer liegt im Bereich einiger Millisekunden. Dies ist kein Pulslaser im eigentlichen Sinne, da die Leistung eines auf diese Art erzeugten Pulses gerade der des Dauerstrich-Lasers entspricht. Durch die fortwährende Unterbrechung des Strahls sinkt die durchschnittlich auf der bestrahlten Oberfläche ankommende Leistung jedoch beträchtlich.

Die Erzeugung „echter“ Laserpulse beruht auf einer etwas anderen physikalischen Funktionsweise. Grundlegend besteht ein Laser aus einem optischen Resonator und einem dazwischen befindlichen aktiven Medium, in welchem durch Hinzufügen von Anregungsenergie (Pumpprozess) eine Besetzungsinversion aufgebaut wird. Bei einem cw-Laser stellt sich nach kurzer Anschwingphase ein Gleichgewicht zwischen Ab- und Aufbau der Inversion durch Emission von Photonen und erneuter bzw. permanenter Anregung ein. Die Besetzungsinversion wird aufrecht erhalten und es kann kontinuierlich Strahlung abgegeben werden. Bei einem Pulslaser hingegen wird das obere Laserniveau (nahezu) vollständig entleert, so dass die Besetzungsinversion kurzzeitig aufgehoben ist und ein erneuter Laserübergang erst dann wieder stattfinden kann, wenn durch den Pumpprozess wieder Energie in das System gebracht wurde die zur erneuten Bevölkerung des oberen Laserniveaus führt. Daraus ergibt sich eine Möglichkeit der Pulsung, die sogenannte Verstärkungs– Schaltung, bei der zur Anregung eine Blitzlampe verwendet wird. Erst wenn diese wieder eingeschaltet wird, kann sich die Besetzungsinversion wieder aufbauen und ein erneuter Laserübergang erfolgen. Die erreichbaren Pulsdauern dieses Verfahrens liegen im Bereich einiger Mikrosekunden (1 µs = 10-6 s).

 

Güteschaltung (Q-switching)

Eine gängige Methode dies zu realisieren ist die sog. „Güteschaltung“. Hierbei werden über unterschiedliche Hilfsmittel künstlich Verluste im optischen Resonator erzeugt, welche die Resonatorgüte (d.h. die „Qualität“ des Resonators) solange verringern, bis eine starke Besetzungsinversion aufgebaut ist. Wird die Verlustursache jetzt kurzzeitig ausgeschaltet, führt dies zu einer plötzlichen, nahezu vollständigen Entvölkerung des oberen Laserniveaus und damit zu einem intensiven Laserpuls. Das Erzeugen der Verluste geschieht über aktive Elemente wie akusto-optische oder elektro-optische Modulatoren, oder über passive Elemente wie beispielsweise einen sättigbaren Absorber. Typische Pulsdauern dieses Verfahrens liegen im Bereich einiger Nanosekunden (1 ns = 10-9 s).

 

Ultrakurze Laserpulse durch Modenkopplung

Noch wesentlich kürzere Pulsdauern lassen sich über die sog. Modenkopplung („mode-locking“) realisieren. Eine stehende Welle bildet sich in einem optischen Resonator der Länge D genau dann aus, wenn die Resonanzbedingung L = n λ / 2 erfüllt ist. Je nach spektraler Breite des Lasers kann diese Bedingung für sehr viele, leicht verschiedene Wellenlängen zeitgleich erfüllt sein. Die Überlagerung dieser Wellen führt allgemein zu einer recht gleichmäßigen Intensitätsverteilung, so dass im Prinzip ein cw-Laser vorliegt. Wird zwischen möglichst vielen solcher „Moden“ im Resonator eine feste Phasenbeziehung eingeführt, interferieren diese periodisch konstruktiv, so dass sich zu einem bestimmten Zeitpunkt ein einziger, intensiver Laserpuls ausbildet. Ähnlich wie bei einem Beugungsgitter, bei dem die Breite der Maxima der Intensitätsverteilung umgekehrt proportional zur Anzahl der Gitteröffnungen ist, wird auch die zeitliche Dauer  eines durch Modenkopplung erzeugten Laserpulses immer kleiner, je mehr Moden im Resonator zeitgleich konstruktiv überlagern. Analog zur Heisenberg'schen Unschärferelation ergibt sich hier durch das sog. „Zeit-Bandbreite-Produkt“  die Anforderung einer möglichst großen Bandbreite  des Lasers. Diese wiederum wird in erster Linie vom verwendeten Lasermedium bestimmt, weshalb sich beispielsweise ein Ti:Saphir-Kristall hervorragend eignet. Das Induzieren der festen Phasenbeziehung zwischen den Resonatormoden kann sowohl aktiv  als auch passiv erfolgen, wobei in jedem Fall eine Amplituden- oder Frequenzmodulation des Lichts im Resonator stattfinden muss. Die erreichbaren Pulsdauern betragen in der Regel Pikosekunden (1 ps = 10-12 s) bis Femtosekunden (1 fs = 10-15 s) und begründen den in diesem Zusammenhang üblichen Term „Ultrakurzpulslaser“. Zur Veranschaulichung eine Analogie: Ein Flug von Frankfurt nach New York dauert ungefähr 9 Stunden. Diese Distanz würde ein Lichtstrahl etwa 50-mal überwinden – in nur einer Sekunde. Eine Pikosekunde hingegen ist so kurz, dass Licht gerade einmal 0,3 mm zurücklegen kann.

 

Einsatz modengekoppelter Laser zur Materialbearbeitung

Ein modengekoppelter 10 W Laser mit einer  Pulsdauer von einigen Pikosekunden erreicht, je nach Repetitionsrate (d.h. Anzahl Pulse pro Sekunde), typische Pulsleistungen von mehreren Millionen Watt. Bei zusätzlich guter Fokussierung lassen sich somit Intensitäten von einigen Gigawatt (GW=109 W) pro Quadratzentimeter erzielen. Bei diesen Größenordnungen treten  bei der Licht-Materie-Wechselwirkung Effekte auf, die in der Physik keiner linearen Gesetzmäßigkeit mehr folgen, sondern mit Hilfe der nichtlinearen Optik beschrieben werden können. Einer dieser Effekte ist die Mehr-Photonen-Absorption, aufgrund derer bei ausreichend hohen Intensitäten Materialien für die verwendete Wellenlänge nicht mehr transparent wirken. In der Regel sind diese bei modengekoppelten, fokussierten Lasern so hoch, dass sich nahezu jedes Material damit bearbeiten und abtragen lässt – weitestgehend unabhängig von dessen Absorptionsspektrum. 

Eine weitere Besonderheit ist dabei, dass die auf das Material übertragene Energiemenge aufgrund der enorm kurzen Pulsdauern in der Größenordnung von lediglich einigen Mikrojoule (µJ=10-6J) liegt, d.h. der durch den Ablationsprozess entstehende Wärmeeintrag ist überaus gering. Bei cw-Lasern sowie gepulsten Lasern mit Pulslängen im Mikro- bis Nanosekundenbereich beruht der Materialabtrag im Wesentlichen auf starker Erwärmung  des absorbierenden Mediums. Bei Ultrakurzpulslasern hingegen erfolgt bei ausreichender Fokussierung ein direkter Phasenübergang ins gasförmige, wobei unter anderem ein Plasma erzeugt wird. Dieses Plasma wiederum kann zu Diagnosezwecken herangezogen werden und Aufschluss über das bearbeitete Material bzw. Gewebe geben („LIBS“ – Laser Induced Breakdown Spectroscopy). Ein zusätzlicher wünschenswerter Effekt bei dieser Art der Materialbearbeitung ist die sehr hohe Präzision, welche in erster Linie nur  durch die Größe des Fokusdurchmessers limitiert ist. Um realistische Kavitäten zu erzeugen, muss dann natürlich der feine Strahl mit Hilfe eines Scansystems so abgelenkt werden, dass die gewünschte Form entsteht.

 

Das MiLaDi-Projekt verwendet einen Nd:YAG-Laser mit einer Pulsdauer von 8 ps und einer durchschnittlichen Leistung von 10 W, dessen Licht der charakteristischen Wellenlänge von 1064 nm auf einen Durchmesser von etwa 0,03 mm fokussiert wird, um die aus der industriellen Fertigung bekannten, hervorragenden Materialbearbeitungseigenschaften auf den Einsatz in der Zahnheilkunde zu übertragen.   

 

Diagnose mit ultrakurzgepulsten Lasern

Durch die besondere Art der Ablationsmechanismen können die ultrakurzgepulsten Laser ein leuchtendes Plasma erzeugen. Dieses Plasma enthält Informationen darüber, welche Elemente durch den vorangegangenen Laserpuls ablatiert worden sind. Durch Auswertung der Spektrallinien, die nach einer gewissen Zeit im Plasma entstehen, mit Hilfe z.B. eines Spektroskops kann das ablatierte Material charakterisiert und klassifiziert werden. Solche Techniken werden im Rahmen der LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) bereits heute verwendet. Einsatzgebiete reichen von quantitativer Laboranalyse bis zur Archäologie und Betonanalyse „im Feld“.

Der Forschungsverbund MILADI erforscht im Rahmen der Arbeitspakete „Diagnose“ ob und in welcher Weise, sich ein praxisnahes und kostengünstiges LIBS-System für die Materialcharakterisierung in der Dentalmedizin nutzen lässt. Dabei stehen die Bestimmung von Sensitivität und Spezifität und die Abgrenzung zu bestehenden Verfahren im Vordergrund der Untersuchungen.

 

Artikelaktionen