Aufbau eines Lasers:

Bestandteile des Lasers und Ihre Aufgaben

Ein Laser besteht im Wesentlichen aus folgenden drei Hauptkomponenten, die zusammenarbeiten, um kohärentes Licht zu erzeugen:

1. Lasermedium
2. Pumpe
3. Resonator

1. Das Lasermedium

Das Lasermedium dient zur Erzeugung des Laserlichtes durch die stimulierte Emission.

• Beschaffenheit: Es können unterschiedliche Stoffe dienen, wie feste, flüssige oder gasförmige Varianten.
• Voraussetzung: Ein Lasermedium muss die Eigenschaft haben, dass eine sogenannte Besetzungsinversion in ihm hergestellt werden kann.

Die Besetzungsinversion

Die Lichtverstärkung in einem Laser funktioniert nur dann, wenn die Anzahl der durch stimulierte Emission entstehenden Photonen pro Zeiteinheit größer ist als die Anzahl der durch das Lasermedium pro Zeiteinheit absorbierten Photonen.

Damit Lichtverstärkung möglich ist, muss gelten:

Anzahl stimulierter Photonen > Anzahl absorbierter Photonen

Die Besetzungsinversion ist der Zustand, in dem mehr Atome des Lasermediums im angeregten Zustand sind als im Grundzustand.

2. Die Pumpe

Die Aufgabe aller Pumpen ist immer die gleiche: Energie in das System einbringen, um die Atome des Lasermediums in den angeregten Zustand zu versetzen und die Besetzungsinversion herzustellen.

• Dieser Vorgang wird Pumpen genannt.
• Anregungsformen:
  • Lichteinstrahlung (optisches Pumpen, z.B. beim Rubinlaser durch eine starke Blitzlampe).
  • Elektrische Prozesse (z.B. beim Helium-Neon-Laser (He-Ne-Laser) durch Elektronenstöße).
  • Wärme, Stöße mit anderen Teilchen und chemische Reaktionen.

 Die folgende Grafik zeigt vereinfacht, wie die Energie auf die verschiedenen Ebenen verteilt wird

3. Der Resonator

Der Resonator löst die Probleme der Photonenbewegung (zufällige Richtung) und der geringen Photonenanzahl (schwaches Licht), die bei spontaner Emission entstehen.

Der Güte-Schalter (Q-Switch)

Eine Besonderheit im Resonatorbau ist der sogenannte Güte-Schalter. Dieses Bauteil fungiert wie ein extrem schneller Verschluss. Er staut die Energie im Resonator für einen kurzen Moment an und lässt sie dann schlagartig in Form eines ultrakurzen, aber extrem energiereichen Impulses (Nanosekundenbereich) frei. Dieses Prinzip ist die technische Voraussetzung für die effektive Zertrümmerung von Farbpigmenten bei der Tattooentfernung, während für die Haarentfernung längere Impulse (Millisekunden) ohne Q-Switch genutzt werden.

4. Das Kühlsystem

Neben den drei physikalischen Kernkomponenten ist in der modernen apparativen Kosmetik ein effizientes Kühlsystem essenziell. Es erfüllt zwei kritische Aufgaben:

• Systemschutz: Es gewährleistet die thermische Stabilität des Lasermediums und der Optik, um eine gleichbleibende Energieabgabe zu garantieren und Überhitzungsschäden am Gerät zu vermeiden.
• Hautschutz: Durch eine integrierte Kontaktkühlung im Handstück (meist über Saphirglas) wird die Hautoberfläche vor, während und nach der Energieabgabe geschützt. Dies minimiert das Schmerzempfinden und reduziert das Risiko von Nebenwirkungen an der Epidermis erheblich.

Aufbau und Funktion

• Aufbau: Der Resonator besteht aus einer Anordnung von zwei Spiegeln, die genau parallel zueinander aufgestellt sind. Das Lasermedium befindet sich zwischen den Spiegeln.
• Verstärkungsmechanismus:
  1. Einige Photonen entstehen durch spontane Emission und bewegen sich zufällig.
  2. Bewegen sie sich in Richtung der Spiegel, werden sie reflektiert und durchqueren das Lasermedium erneut.
  3. Beim erneuten Durchgang lösen diese "Start-Photonen" durch stimulierte Emission weitere Photonen mit gleicher Energie und Bewegungsrichtung aus.
  4. Dieser Prozess schaukelt sich auf, das Licht wird verstärkt und in der Achse der Spiegel ausgerichtet (kohärent).

Stimulierte Emission

Strahlt Licht auf ein angeregtes Atom (oder Molekül) ein, so wird das Licht verstärkt: Das angeregte Atom kehrt in den Grundzustand zurück und gibt ein Photon in den Photonenstrom des eingestrahlten Lichtstrahles ab. Durch die Spiegel wird der verstärkte Lichtstrahl zurückgeführt.

Laserstrahl-Austritt

• Einer der Spiegel ist teildurchlässig.
• An dieser Stelle kann der stark verstärkte, kohärente Lichtstrahl (der Laserstrahl) aus dem Resonator austreten.

Stehende Welle

Für die optimale Verstärkung muss der Abstand der Spiegel exakt eingestellt sein, damit sich eine stehende Welle zwischen den Spiegeln bilden kann. Ist der Abstand falsch, kann das Licht sich abschwächen. Der Resonator sorgt so für die optimale Verstärkung des Lichts.

Zusammenfassung der Laserkomponenten

Das Lichtleitersystem und das Handstück

Nachdem das kohärente Licht den Resonator verlassen hat, muss es präzise zum Zielgewebe geleitet werden. Dies geschieht über das Lichtleitersystem:

• Strahlführung: Je nach Lasertyp wird das Licht entweder durch eine hochflexible Glasfaser (häufig bei Diodenlasern) oder über ein System aus gelenkigen Spiegelarmen (oft bei Nd:YAG- oder CO2-Lasern) geführt.
• Das Handstück: Es bildet die Schnittstelle zum Kunden. Im Handstück befinden sich optische Linsen, die den Laserstrahl auf die gewünschte Spotgröße fokussieren.
• Saphir-Kühlung: Moderne Handstücke integrieren zudem ein gekühltes Saphirglas, das direkt auf der Haut aufliegt. Es bündelt nicht nur das Licht, sondern schützt gleichzeitig die Epidermis vor thermischer Überlastung.

Explosionszeichnung eines modernen Lasersystems: Das Zusammenspiel von Pumpquelle, Lasermedium und Resonator erzeugt den präzisen Laserstrahl. Das integrierte Kühlsystem und das Saphir-Handstück gewährleisten dabei maximale Sicherheit und Effektivität während der Behandlung.

Aufzählung der 6 zentralen Komponenten, wie sie in der Explosionszeichnung eines modernen Lasersystems dargestellt sind:

1. Pumpquelle (Diodenarray / Blitzlampe): Dies ist die externe Energiequelle. Sie liefert die benötigte Energie („Pumpenergie“), um die Atome im Lasermedium in einen angeregten Zustand zu versetzen und so die Besetzungsinversion zu ermöglichen.
2. Lasermedium (Kristallstab / Halbleiter): Das Herzstück des Systems. Hier findet die eigentliche Lichtverstärkung statt. Je nach Material (z. B. Alexandrit, Diode oder Nd:YAG) wird die spezifische Wellenlänge des Lasers festgelegt.
3. Optischer Resonator (Spiegel-System): Bestehend aus einem vollreflektierenden und einem teildurchlässigen Spiegel. Er sorgt für die optische Rückkopplung, indem er die Photonen immer wieder durch das Medium schickt, bis ein gebündelter, kohärenter Strahl entsteht.
4. Kühlsystem (Thermisches Management): Ein entscheidendes Bauteil für die Stabilität. Es führt die entstehende Wärme von der Laserquelle ab, um eine konstante Leistung zu garantieren und die Hardware vor Überhitzung zu schützen.
5. Laserstrahl-Auskopplung (Lichtleiter): Nachdem der Strahl den Resonator verlassen hat, wird er hier präzise geführt – meist über ein Glasfaserkabel –, um die Energie verlustfrei zum Handstück zu transportieren.
6. Handstück (mit Saphirkühlung): Das Applikationswerkzeug für die Behandlung. Es fokussiert den Laserstrahl auf die Haut und schützt die Epidermis gleichzeitig durch eine integrierte Kontaktkühlung (Saphirglas) vor thermischen Schäden.

Wissenschaftliche Referenz & Quellen:

Eichler, J. & Eichler, H. J. (2015). Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. Springer-Verlag.

Orazio Svelto, (2010). Principles of Lasers. Springer Science & Business Media.

Beuth Verlag - DIN EN 60825-1 - Sicherheit von Lasereinrichtungen - Teil 1: Klassifizierung von Anlagen und Anforderungen (IEC 60825-1:2014);

Aufbau und Komponenten eines Lasersystems - (LeifiPhysik) 

Ein tolles Video hierzu: 

Hinweis: Einige Bilder auf dieser Website wurden mit Unterstützung von künstlicher Intelligenz erstellt und dienen ausschließlich illustrativen Zwecken.

Fachwissen verständlich erklärt

Dieses Wissensportal dient unseren Kunden als Orientierungshilfe, um die Hintergründe und Vorteile medizinischer Laser-Verfahren besser zu verstehen.

Alexandra Steiger (geb. Dillmann)

Gründerin von ad new cosmetics & Expertin für dauerhafte Haarentfernung

„Qualität und Sicherheit sind in der Haarentfernung kein Zufall, sondern das Ergebnis von Erfahrung und Wissen.“

Dieser Lexikonbeitrag wurde fachlich von Alexandra Steiger geprüft und redaktionell freigegeben. Als Geschäftsführerin von ad new cosmetics verfügt sie über eine Praxiserfahrung seit 2003 in der dauerhaften Haarentfernung mit medizinischen Laser- und IPL-Technologien.

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