Das Wort LASER steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Der erste Laser wurde 1960 von Theodore H. Maiman, einem amerikanischen Ingenieur und Physiker, gebaut, der für seine Erfindung zahlreiche Auszeichnungen erhielt. Es war jedoch Elias Snitzer, der 1961 den ersten fiber und fiber vorstellte. Seitdem hat sich die fiber weiterentwickelt und findet heute in vielen Bereichen, darunter Industrie, Medizin und Telekommunikation, vielfältige Anwendung.
Zunächst wandeln Laserdioden aus einer Stromquelle Elektrizität in Photonen um. Sie erzeugen also im Grunde genommen Licht, das dann in ein fiber gepumpt wird.
Wenn Licht jedoch nicht durch einen bestimmten Mechanismus gesteuert wird, breitet es sich in alle Richtungen aus. Wir haben gesehen, wie schmal und fokussiert ein Laserstrahl ist. Wir werden darauf noch zurückkommen, aber zuerst müssen wir verstehen, wie sich Licht durch ein fiber ausbreitet.
Wenn man an Lichtbrechung denkt, stellt man sich normalerweise vor, wie Licht aus der Luft in Glas oder Wasser eintritt und seinen Winkel ändert. Dies geschieht, weil sowohl Glas als auch Wasser dichter als Luft sind und einen höheren Brechungsindex haben, sodass sich das Licht beim Durchdringen langsamer ausbreitet. Diese Geschwindigkeitsänderung verursacht die Winkeländerung. Wenn das Licht das dichtere Medium verlässt und wieder in die Luft eintritt, gewinnt es an Geschwindigkeit und der Winkel kehrt zu seinem ursprünglichen Wert zurück, wie in der Abbildung zu sehen ist:
Was hat Refraktion nun mit unserem fiber zu tun? Wir wollen nicht, dass das Licht durch die Ummantelung dringt und in einem anderen Winkel austritt. Wir wollen es im Kern halten.
Hier kommen wir nun zu einem kleinen Exkurs in die Physik. Nach dem Brechungsgesetz (Snellsches Gesetz) gibt es etwas, das als „kritischer Winkel“ bezeichnet wird. Der kritische Winkel ist der größte Einfallswinkel, bei dem in einem bestimmten Medium noch eine Brechung stattfinden kann. Das Licht wird also nur dann gebrochen, solange der Einfallswinkel (der Winkel, in dem das Licht auf die Ummantelung trifft) kleiner als der kritische Winkel ist.
Wenn der Einfallswinkel den kritischen Winkel überschreitet, wird der Lichtstrahl so stark gebrochen, dass ein Phänomen namens „totaler innerer Reflexion” auftritt. Totale innere Reflexion bedeutet, dass das Licht in das erste Medium (den Kern) zurückgeworfen wird, was genau das ist, was wir brauchen. Bild 4 in der folgenden Abbildung zeigt die totale innere Reflexion:
Ohne die Ummantelung würde das Licht in alle Richtungen streuen und aus dem Kern austreten. Dank des niedrigen Brechungsindex der Ummantelung, des hohen Brechungsindex des Kerns und der geringen Dicke des Kabels trifft das Licht in einem Winkel auf die Ummantelung, der größer ist als der kritische Winkel, und wird immer wieder zurückgeworfen, sodass es durch die optische fiber wandert.
Erinnern Sie sich daran, dass LASER für „Light Amplification“ (Lichtverstärkung) steht, die durch „Stimulated Emission“ (stimulierte Emission) erreicht wird? Lassen Sie uns näher betrachten, wie diese Verstärkung erzielt wird.
Wie bereits erwähnt, ist der Kern fibermit dem seltenen Element Ytterbium beschichtet. In der Physik wird dies als „dotierte“ fiber bezeichnet. Wenn Teilchen aus dieser dotierten fiber mit Licht (Photonen) fiber , werden ihre Elektronen angeregt, was bedeutet, dass sie auf ein höheres Energieniveau ansteigen. Schließlich fallen die Elektronen wieder auf ihr ursprüngliches Niveau zurück, aber da Energie niemals verloren geht, geben sie beim Fallen Energie in Form von Photonen ab und erzeugen so mehr (oder verstärken) Licht.
Aber die Lichtverstärkung hört damit noch nicht auf. Der fiber verfügt außerdem überFiber “ (FBG), die, vereinfacht gesagt, aus einer Reihe regelmäßig angeordneter Spiegel bestehen, die Photonen hin und her reflektieren.
Die meisten Lichtwellenlängen werden durch die Gitter hindurchgelassen, aber eine bestimmte Lichtwellenlänge wird zurückgeworfen. Nun haben wir also diese reflektierten Photonen, die sich dem konstanten Photonenfluss anschließen, der von den Dioden in der Quelle gepumpt wird. Die erhöhte Anzahl von Photonen trifft auf angeregte Teilchen und erzeugt noch MEHR Photonen für eine exponentielle Lichtverstärkung. Als Ergebnis dieser stimulierten Emission entsteht der Laserstrahl.
Um diesen ultra-fokussierten Strahl zu erzeugen, für den Laser bekannt sind, benötigt man eine Kollimatorlinse. Kollimation ist der Vorgang, bei dem Licht so ausgerichtet wird, dass seine Strahlen parallel sind und eine minimale Streuung aufweisen. Je nach Linse kann der kollimierte Strahl auf einen bestimmten Durchmesser kalibriert und auf einen bestimmten Punkt fokussiert werden. Dieser superfokussierte Strahl tritt dann aus der fiber die freie Luft aus, trifft auf das Metallblech und schneidet es mit außergewöhnlicher Genauigkeit.
Jede Art von fiber erzeugt nur einen Strahl mit einer bestimmten Wellenlänge, abhängig vom Dotierungselement des Kerns. Aus diesem Grund ist sichtbares Laserlicht monochromatisch und kann blau, grün oder rot sein. Ytterbium-dotierte fiber , wie sie zum Schneiden von Metall verwendet werden, erzeugen jedoch eine Wellenlänge zwischen 1000 und 1100 Nanometern, wodurch sie im nahen Infrarotbereich liegen und für das menschliche Auge unsichtbar sind. Beim Schneiden von Metall mit einem fiber ist daher nur das Licht der Funken zu sehen, die beim Kontakt des Lasers mit dem Metall entstehen.
