Wer die Eigenschaften des Lasers nutzen will, muß wenigstens in Grundzügen etwas über seine physikalische Wirkungsweise wissen. Daraus geht auch unmittelbar hervor, warum das mit der Lasertechnik zusammenhängende Material so teuer ist (also auch die optischen Systeme, wie z.B. die Spiegel): Es handelt sich hierbei um Geräte, bei deren Herstellung ein Höchstmaß an Präzision erforderlich ist.

Die heute für den semiprofessionellen und Hobby-Bereich angebotenen Laser sind „richtige" Systeme, bei denen aber die abgegebene Strahlungsleistung aus Sicherheitsgründen niedrig gehalten wird (im Bereich von einigen Milliwatt).

Dennoch birgt der Umgang mit ihnen mögliche Gefahrenquellen in sich: Aus Prinzip soll man niemals direkt in einen Laser-"Strahlenbündel" blicken, weil dies (trotz der niedrigen Leistung!) zu Verletzungen der Netzhaut führen kann. Diese Gefahr besteht umso mehr, weil das Laserlicht gebündelt wird, z.B. durch die Linse des Auges.

Aus Gründen der Preiswürdigkeit handelt es sich bei den „Hobby-Lasern" meist um gasgefüllte Typen, deren Anregung sehr hohe Spannungen voraussetzt; das Gerät darf deshalb niemals mit geöffnetem Gehäuse betrieben werden! Auch nach dem Ausschalten besteht beim Öffnen noch die Gefahr, daß sich die Hochspannung erst nach längerer Zeit abbaut! Das Experimentieren mit dem Laser soll sich daher auf Anwendungen mit dem Strahlenbündel beschränken und nicht im Fummeln an der Elektronik ausarten.

Die den Atomkern in virtuellen Bahnen umgebenden (umkreisenden) Elektronen können verschiedene sogenannte "Energiezustände" einnehmen; je weiter außen sie sich befinden, desto Energie-reicher sind sie.

Durch geeignete Energiezufuhr (dem Hinein-Pumpen von Energie) kann man sie dorthin bringen; wenn dieser Zustand nicht stabil ist, kehren sie in einen Energie-ärmeren zurück und geben dabei Energie ab.

In einer geeigneten Anordnung (dem Lasergerät) erfolgt diese Energie-Freisetzung in Form von Lichtquanten (Photonen), also sichtbarer elektromagnetischer Strahlung. Da dies gewissermaßen eine vom Material (dem Resonator) abhängige Naturkonstante ist, liegt darin der erste Grund für die Reinheit der entstehenden Frequenz.
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Da nur diejenigen Lichtquanten (huch ? was sind Lichtquanten ?) einen Beitrag zum Strahlenbündel liefern, die zwischen den planparallelen Spiegeln reflektiert werden, ist der enstehende Wellenzug absolut geradlinig. Und durch das Aufschaukeln (Resonieren) im „Gleichschritt" kommen neue Wellenberge und -täler immer nur in derselben Phasenlage zusammen (Kohärenz).

Die „quer" strahlenden Quanten laufen sich regelrecht tot. Daß die insgesamt herauskommende Ausbeute deshalb nicht besonders groß sein kann, sehen Sie schon an den nackten Zahlen (vgl. Technische Daten):

Von den hineingesteckten 15 W Gleichstromleistung kommen gerade 2mW Nutzleistung heraus; das ergibt einen Wirkungsgrad von grob 0,01 % (!), aber Qualität hat eben ihren Preis, auch bei hochwertigem Licht!

Vom Prinzip her ist der "Laserstrahl" (das ist falsch : das Strahlenbündel) vollkommen linear, er läuft also nicht im Winkel auseinander (stimmt auch nicht, der Winkel beim Gas-Laser ist da, aber ganz extrem gering) und verliert sich daher nicht so rasch wie ein Lichtstrahl.

Nur so läßt sich eine Entfernung von mehreren hunderttausend Kilometern (!) überbrücken, um z. B. den Abstand zum Mond zu messen. (Hier kommt also die Korrektur:) Daß der Laser dennoch einen winzigen Öffnungswinkel besitzt (Tausendstel Grad), liegt an der unvermeidlichen Brechung beim Austritt.
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Das vorgestellte Gerät ist problemlos zu handhaben, weil die Speisung mit niedriger Gleichspannung erfolgt und Sie normalerweise nie mit der Hochspannung im Inneren in Berührung kommen.

Information für den Fachmann :

Nach VDE werden alle Laser in vier Schutzklassen eingeteilt; zum Typ 3A gehören Laser mit Wellenlängen von 400...700 nm und einer Dauerstrich-Leistung von maximal 75mW; ihre Bestrahlungsstärke darf nirgendwo 25W/m2 übersteigen. Allerdings ist für diesen Typ bereits ein Schlüsselschalter vorgeschrieben.

Mit der Leistung von 2 mW können Sie keinen Sternenkrieg im Schrebergarten veranstalten und auch keine Materie zerstäuben; trotzdem gilt: Nicht in den Strahl blicken! Sie können aber brillante Licht-Effekte zaubern, die schon wegen der völlig ungewöhnlichen, „schlanken" Strahlform faszinieren. In Verbindung mit bewegten Ablenkspiegeln entstehen auch über weiteste Strecken Erscheinungen, die jede noch so raffinierte Lichtorgel in den Schatten stellen!

Trotz imponierender Zuwachsraten, die in nur vier Jahren eine Verzehnfachung des Ausstoßes gebracht haben, ist die Verbreitung der Compact-Disc noch entwicklungsfähig. Von allen bundesdeutschen Haushalten, die über einen Plattenspieler verfügen, besitzen erst 17% einen CD-Spieler. Das erklärt die geschätzten/erhofften Verkaufszahlen von 2 Millionen Stück für das kommende Jahr, was sicherlich nicht unrealistisch ist.

Denn anders als beispielsweise das hochgejubelte (aber totgeborene) Kind „Quadrofonie" hat die CD ein intaktes Umfeld. Sie ist der ideale Datenträger, der robust, kompakt und nahezu unverwüstlich seinen Platz behauptet (nicht nur bei Audio oder Video!).

Die hiermit erzielbare Wiedergabequalität ist, ketzerisch gesagt, fast besser als das Original. Ein Dynamikumfang von rund 100dB, eine Stereo-Kanaltrennung in derselben Größenordnung und ein Klirrfaktor, der 0,001% erreicht, machen die CD zu einem konkurrenzlosen Tonträger, dem Kritiker nur eins vorhalten können: Das ist der sterile Klangeindruck, der eher an einen schalltoten Raum als an einen Konzertsaal erinnert. Dennoch: Eine Wiedergabe ohne jegliches Rauschen ist auch schon etwas!

Mit der Compact-Disc (CD) ist eine Entwicklung gelungen, die zwar längst noch nicht abgeschlossen ist, sich aber längst als der Volltreffer schlechthin erwiesen hat. Im Rahmen unserer Laser-Anwendungen wollen wir uns in diesem Beitrag nur damit beschäftigen, wie die auf der Platte gespeicherten Informationen wieder herunterkommen, wie man sie also bei der Wiedergabe lesen kann.

Es ist dabei von untergeordneter Bedeutung, ob diese Daten nun zu Musik werden, wie in der überwiegenden Anzahl der Fälle, oder ob es sich um Videos oder Computer-Daten handelt, wofür dieses Medium in atemberaubenden Tempo zunehmend auch noch genutzt wird.

Für alle diese Anwendungen sind die kleinen Scheiben mittlerweile zu haben, und auch neben dem Standard-Durchmesser von 120mm gibt es längst zahlreiche andere, die von der Mini-Disc mit 80mm bis zur 12"-Riesen-Scheibe reichen, die das Format einer Langspielplatte hat.
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Wie Sie aus Bild 1 erkennen, steht bei der Standard-CD zur Informationsspeicherung ein Kreisring mit 25mm- Innen- und 58mm- Außendurchmesser zur Verfügung.

In diesem Bereich ist eine spiralförmige Informationsspur angeordnet, die sage und schreibe 5km lang ist und eine konstante Steigung von 1,66 um besitzt!

Die Informationen dieser Spur bestehen aus winzigen, wannenförmigen Vertiefungen, den sogenannten Pits (engl. Grube). Viel paßt in so eine Grube allerdings nicht hinein: Sie sind nämlich nur knapp 1um breit, ca. 3um lang und erreichen eine Tiefe von gut 0,1um (Bild 7).

Um sich diese Abmessungen etwas besser vorstellen zu können, machen Sie einmal folgendes Gedanken-Experiment:

Betrachten wir Bild 2 (rechts). Auf die senkrechte Montagefläche A (genau in der Mitte) wird der eigentliche ganz kleine Laserkristall L (das ist der sogenannte "Resonator") aufgelötet; bei dem GaAs-Halbleiter-Plättchen tritt die Strahlung also nach oben (und unten) aus beiden Schmalseiten aus.

Die ebenfalls mit in diesm kleinen Gehäuse C enthaltene kleine Fotodiode D erlaubt es, ohne Umwege die gerade abgegebene Strahlintensität zu messen und (über eine externe Regelelektronik) konstant zu halten.

Diese Maßnahme hat ganz entscheidende Bedeutung: Bei optimaler Behandlung erreicht solch eine Laserdiode eine Lebensdauer von mindestens 5.000 Stunden, und im Idealfall sind sogar 10.000 (theoretische) Stunden zu erzielen.

Wenn Sie Ihr Gerät also tagtäglich fünf Stunden betreiben, hält die Diode das rund 10 Jahre aus (so die Werbung und die Theorie).

• Anmerkung : Es ist leider eine traurige Realität, daß das gar nicht stimmt. Denn es sind viel zu oft weniger als 4.000 Stunden, weil die Laser-Dioden im Grenzbereich betrieben werden.

Treten aber auch nur kleinste Stromspitzen bei der Dioden-Strom-Versorgung auf, kommt es zu Schädigungen, die bis zur Zerstörung reichen.

Das liegt daran, daß diese Dioden so irrsinnig „schnell" sind und daher auch noch Störspitzen im Nanosekunden-Bereich mitmachen, d.h. sie als (Überstrom-) Spitzen verarbeiten.
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Der Strahlengang des Laserlichts verläuft so, wie es Bild 3 schematisch zeigt: Nach Aufweitung (des als ovaler Lichtkegel austretenden Lichts) in der Kollimatorlinse (unten) durchläuft ein jetzt rundes recht dickes Bündel ein halbdurchlässiges Prisma, wird in der Fokussierlinse (oben) extrem scharf gebündelt und trifft auf die reflektierende CD-Oberfläche mit den Pits. Um diese Vertiefungen auswerten zu können, muß die fokussierte Spitze des Laser-Strahlenbündels auf ca. 1,5um Durchmesser gebündelt sein.

Die zurückfallende Strahlung wird im Prisma teilweise nach rechts reflektiert und von einer (externen) Fotodiode aufgefangen. Es ist keine zeichnerische Nachlässigkeit, daß der Licht-Strahl hier nicht scharf gebündelt, sondern ein wenig aufgeweitet eintrifft; diese lichtempfindliche Fläche besteht nämlich aus mehreren Sektoren:

Das Zentrum registriert primär die zurückgespiegelten Intensitätsschwankungen, die von den „Gruben" in der CD verursacht werden. Wenn die Licht-Strahlung hier nicht kreisförmig eintrifft, sondern nach oben oder zur Seite elliptisch verzerrt ist, liegt das an mangelnder Scharfstellung der Fokussierlinse. Servomotoren sorgen hier für unverzügliche Nachführung (zweite Aufgabe des Zentrums).

Wenn Sie das mit der Standard-Spieldauer von 3600s (= 1 Stunde) multiplizieren, kommen Sie zu der eingangs genannten Gesamt-Spur-länge von rund fünf Kilometern pro Platte!

Sie können gleich weiterrechnen und die 16 Milliarden Pits pro Scheibe in eine Datenübertragungsrate umwandeln: Dabei kommen pro Sekunde gut 4 Millionen Pits vorbei, es entsteht also ein Datenstrom von über 4MBits/s.

Eine solche Frequenz von einigen Megahertz muß erst einmal so weit „hochgepäppelt" werden, daß man verarbeitungsmäßig etwas damit anfangen kann (Bild 6). An der Fotodiode steht damit nämlich nur ein hochfrequentes Dauer-Signal an, das sich kaum vom Grundrauschen abhebt!

Vor diesem Hintergrund beantwortet sich auch die häufig recht kontrovers diskutierte Frage, ob man auf eine CD draufpatschen darf oder nicht; anders ausgedrückt: Wie empfindlich ist die Compact-Disc gegen Verunreinigungen, wie z.B. das Fett der Hautoberfläche oder Staubpartikel?