LASER IM THEATER

Funktion - Einsatz -Sicherheitsvorkehrungen

© Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Tadeusz KRZESZOWIAK

In diesem Artikel werden die Mechanismen der Strahlungserzeugung in Lasern erklärt. Sodann werden Aufbau und Wirkungsprinzip des Helium-Neon-Lasers, sowie des Argonionen- und/oder Kryptonionen - Lasers und auch des Festkörperlasers YAG beschrieben. Abschließend werden die Anwendung des Lasers im Theater zum Generieren von Laserfiguren in dreidimensionaler Form und Farbe, die erforderliche Anordnung der Laseranlage auf der Bühne sowie der Laserstrahlenschutz im Bühnen- und Zuschauerraumbereich besprochen.

1. Einführung Lichtemission und Lichtverstärkung
2. Mechanismus der Gaslaser-Entladung
• Entladung im Helium-Neon Gasgemisch
• Entladung in Edelgasionen
3. Strahlung eines Festkörperlasers
• Neodym-YAG-Laser
4. Anwendung der Laser- Entladung im Theater
• Bühnenlaser-Anordnung
• Laserstrahlenschutz
5. Literatur

1. Einführung Lichtemission und Lichtverstärkung

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Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist. Gemäß der quantenmechanischen Beschreibung eines Atoms kann die Energie dieser Elektronen nur bestimmte Werte annehmen, die vorgegebenen Energieniveaus entsprechen. Man kann sich dies so vorstellen, dass die Elektronen den Atomkern auf Schalen mit genau definierten Energieniveaus umkreisen. Die Elektronen mit der größten Energie kreisen dabei im größten Abstand. Es gibt viele Energieniveaus in einem Atom, in denen sich die Elektronen befinden können. Hier sollen aber nur zwei wesentliche betrachtet werden, nämlich die beiden äußersten Niveaus. Dort kann nämlich ein Elektron durch äußere Zuführung von Energie (zum Beispiel durch den Zusammenstoß eines Photons mit dem Atom) leicht von dem Niveau mit niedrigerer Energie in ein solches höherer Energie gehoben werden. In diesem höheren Energieniveau kann es sich normalerweise nur 10^-6 Sekunden lang halten und fällt dann wieder in das niedrigere Energieniveau zurück. Dabei wird Energie frei, welche in Form eines Lichtphotons abgegeben wird. Die Energie des Photons entspricht der Energiedifferenz der Niveaus und weist daher auch eine diesem entsprechende bestimmte Frequenz auf. Bei diesem Vorgang kann aber noch keine Lichtverstärkung erzielt werden, da ja für jedes absorbierte Photon wieder nur ein Photon abgestrahlt wird. Dazu bedarf es eines Mediums, indem die Atome ständig energetisch angeregt sind, das heißt, dass ihr Niveau höchster Energie mit Elektronen stark angereichert ist, was nicht dem üblichen Zustand entspricht. Reagiert ein Photon mit einem solchen Atom, so wird einerseits der oben beschriebene Vorgang ausgelöst, der zur Aussendung eines Photons führt, andererseits bewirkt der Zusammenstoß das Zurückfallen eines Elektrons aus dem hohen in ein niedrigeres Energieniveau, wobei ebenfalls ein Photon frei wird. Insgesamt werden also zwei statt einem Photon frei und man erzielt eine Licht-Verstärkung. Darüber hinaus sind diese beiden Photonen in Phase, also kohärent. Bekanntlich herrscht im normalen Zustand der Materie thermisches Gleichgewicht der Energie der Atome, d. h. die Neigung der Atome, ihre unteren Energiezustände bevorzugt zu besetzen, ist eine allgemeine Eigenschaft der Materie, gleichgültig, ob es sich um die Atome in einem Gas, einer Flüssigkeit oder in einem Festkörper handelt (Abb. 1).

Abb. 1: Besetzungsdichte der

Energiezustände in Atomen bei

thermischem Gleichgewicht

(Boltzmann - Verteilung):

N - Anzahl der Elektronen,

e - Basis des Log. = 2.71828

E - Energieniveaus in J

k - Boltzmann-Konstante

(k = 1,380662' 10-23 J I K)

T - absolute Temperatur in K

Damit Materie als Verstärkermedium für Licht wirken kann, muss man den oben beschriebenen normalen Energiezustand künstlich invertieren, d. h. das Energieniveau mit der höchsten Elektronen-Besetzungsdichte, das ist jenes mit geringer Energie, in ein höheres Energieniveau anheben. Den so herbeigeführten Zustand eines Atoms nennt man Inversionsbesetzung (Abb. 2).

Abb. 2: Besetzungsdichte der

Energiezustände in Atomen bei

der Inversionsbesetzung

Diese kann nun auf verschiedene Weise erzielt werden: Bei Gaslasern z. B. wird sie durch die Übertragung von kinetischer Energie bei den Zusammenstößen zwischen Atomen und Elektronen erreicht.

2. Mechanismus der Gaslaser-Entladung

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Eine sichtbare elektromagnetische Strahlung kann auf dem Weg der elektrischen Gas-Entladung in Inversionsbesetzung erzeugt werden. Diese Art der elektrischen Entladung wird als Laser-Strahlung bezeichnet. Der Laser ist also ein molekularer Lichtverstärker, der extrem scharf gebündeltes Licht von außerordentlicher spektraler Reinheit und mit sehr großem Strahlungsfluss liefert. Die Intensität und Bündelung einer durch Lasererzeugten Lichtquelle kann so groß sein, dass es genügt, einen Laserstrahl von wenigen Millimetern Durchmesser auf den Mond zu richten, um dort, noch deutlich erkennbar, eine Fläche von 1 m² zu beleuchten! Man bedenke, dass die $Entfernung zwischen Erde und Mond 384.405 km beträgt!

Der Begriff LASER ist ein Akronym, gebildet aus Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zu Deutsch: Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission.

Den Grundstein für das Basismodel eines Lasers legten vor allem Albert Einstein (1917), Charles Townes und Arthur Schawlow (beide 1958) in ihren Veröffentlichungen, in denen sie andeuteten, dass Atome eines Mediums durch stimulierte Emission in einen angeregten Zustand gebracht, kohärentes, im Gleichtakt schwingendes, und monochromatisches Licht abgeben. Der erste Laser, ein Festkörper-(Rubin)-Puls-Laser, wurde 1960 von Theodore Maiman vom "Hughes Aircraft Companie Research Laboratorium" in Malibu (Kalifornien, USA) gebaut. Der erste in Europa verwendete Bühnenlaser, ein Argon-Krypton-Laser, wurde zur Eröffnung der Opernfestspiele 1970 am 14. Juni 1970 im Münchner Nationaltheater eingesetzt, und zwar in der Oper "Die Zauberflöte" von Wolfgang Amadeus Mozart.

Die Hauptmerkmale einer Gaslaser-Entladung sind:

1. Collimation: Hoher Grad an Parallelbündelung (= gleichgerichteter Strahl mit sehr geringer Divergenz in der Größenordnung von ca. 0,1 mrad)

 

2. Monochromatizität: Sehr schmale Spektrallinie der Strahlung, relative Stabilität der Frequenz ca. 10^-9, Halb-Bandbreite der Strahlung ca. 10^-3 nm)

 

3. Kohärenz: Alle Photonen schwingen in Phase, räumlich und zeitlich (= es ermöglicht Interferenz des Lichtes)

 

4. extreme Strahlungsdichte: Der hochintensive Strahl fokussiert an einem kleinen Punkt, spektrale Strahlungsdichte bis ca. 10⁺¹⁵ W / m² * nm.

2.1. Entladung im Helium-Neon Gasgemisch

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Der He-Ne Laser ist ein kontinuierlich betriebener Laser im sichtbaren und infraroten Spektralbereich mit Ausgangleistungen in der Größenordnung von mW. Den Aufbau dieses Lasers zeigt Abb. 3

Abb. 3: Prinzip des Aufbaues eines He-Ne Lasers:

1 - total reflektierender Spiegel

2 u. 7 - Brewster'sches Fenster,

3 - Entladungsgefäß

4 - Anode

5 - Katode

6 - Spannungsquelle,

8 - teildurchlässiger Spiegel

9 - polarisierter Ausgangsstrahl

Nach der elektrischen Zündung des aktiven Mediums wird im optischen Resonator (er besteht aus 2 Spiegeln) die induzierte Lichtemission hin und her reflektiert und dann als Ausgangslaserstrahl mit bestimmter Farbe abgegeben. Im He-Ne Laser erfolgen zahlreiche Reaktionen, die mit He als Hilfsgas im Hauptgas Neon vor sich gehen. Die praktisch verwendete, sehr intensive und gut gebündelte Strahlung ist rotes Licht mit einer Wellenlänge von 632,8 nm. Die technischen Parameter eines He-Ne Laser sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Technische Parameter eines He-Ne-Lasers

Wenn die Resonanzspiegel breitbandig sind, kann dieser Laser simultan auf mehreren Wellenlängen schwingen, was gleichzeitig mehrere abgestrahlte Spektrallinien bedeutet. Die bisher höchste von allen Lasern erreichte Frequenzstabilität liegt hier in der Größenordnung von zirka zehn bis 15, woraus sich auch seine Verwendung als Frequenzstandard ergibt.

2.2. Entladung in Edelgasionen

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Edelgasionen-Laser sind die leistungsstärksten kontinuierlichen Laser im sichtbaren Spektralbereich mit Ausgangsleistungen von ca. 0,5 W bis 30 W. Sie strahlen auch Wellenlängen im UV- und IR-Bereich aus. Die Laseremission beruht auf Übergängen zwischen angeregten Niveaus von einfach oder mehrfach ionisierten Edelgasatomen, bevorzugt einfach ionisierten Argonionen (Ar⁺) und Kryptonionen (Kr⁺) oder einer Gasmischung (Ar⁺ + Kr⁺). Auch hier wird durch einen optischen Resonator (z. B. ebener, konfokaler oder konzentrischer Resonator) die stimulierte Emission erzeugt. Ein spontan emittiertes Photon trifft bei entsprechender Richtung auf einen Spiegel, wird reflektiert und durchläuft das aktive Medium, wird dann von einem zweiten Spiegel abermals reflektiert, durchläuft das Medium wiederum usw., was eine Rückkopplung bedeutet und dadurch zu einer stimulierten Emission führt (Abb. 4).

Abb. 4: Grundprinzip eines

optischen Resonators

 

Abb. 5: Prinzip des Aufbaues eines Edelgasionenlasers

 1 - total reflektierender Spiegel

 2 u. 10 - Brewster'sches Fenster,

 3 - Entladungsglaskapillare

 4 - Magnetspule

 5 - Kühlwassergefäß

 6 - Anode

 7 - Gasrückführrohr zum Druckausgleich

 8 - Spannungsquelle

 9 - Katode

11 - Prisma

12 - teildurchlässiger Spiegel

13 - polarisierter Ausgangstrahl

14 - Nebenstrahl

 

Abb. 5 zeigt den Aufbau eines Edelgasionenlasers. Bei einem kontinuierlichen Betrieb dieses Lasers ist zum Druckausgleich eine zusätzliche Rohrverbindung zwischen Anode und Katode notwendig. Die Elektronen übertragen nämlich einen großen Teil ihres axiales Impulses auf die Neutralgasatome, die damit in Richtung Anode wandern und so einen großen Druckunterschied hervorrufen, der ausgeglichen werden muss. Als Sonderheit wird hier mittels einer Spule um das Entladungsrohr ein axiales Magnetfeld erzeugt. Die magnetische Feldstärke erreicht Werte bis 10⁺⁴ A/m, was die Effektivität der Anregung durch Herabsetzung der Wandbelastung erhöht. Die Wandbelastung der Kapillare beträgt ca. 100 W/m² und die Kapillare wird meistens wassergekühlt. Wird das Entladungsrohr durch sogenannte Brewster'sche Fenster abgeschlossen, dann ist der Ausgangslaserstrahl linear polarisiert (Abb. 6)

Abb. 6: Optische Wirkung des

Brewster'schen Fensters bei

Polarisierung des Lichtstrahles

in Fortpflanzungsrichtung

und der Wirkungsgrad dementsprechend erhöht (Abb. 7).

Abb. 7: Der linearpolarisierte Laserstrahl schwingt nur in einer bestimmten Schwingungsebene.

Die anderen Polarisationsebenen werden aus dem Strahlengang mittels der Brewster-Fenster hinausgespiegelt.

Diese Brewster'schen Fenster werden unter einem ganz bestimmten Winkel zur Strahlachse angeordnet (Brewster-Winkel: Tangens des Winkels ist gleich der Brechungszahl des Fensterglases). Dies vermindert die Reflexions und Strahlungsverluste.

In Tabelle 2 sind die Spektrallinien im sichtbaren Bereich des Kr⁺ Lasers aufgestellt. Für die zwei wichtigsten Linien (647,1 nm und 676,4 nm) sind auch die Ausgangsleistungswerte angegeben.

Tabelle 2: Spektrallinien

im sichtbaren Bereich

eines Kr⁺ Lasers

Tabelle 3 zeigt eine Zusammenstellung der Ausgangsleistungswerte im sichtbaren Bereich des Ar⁺ Lasers.

Tabelle 3: Strahlungsflussverteilung

der sichtbaren

Strahlung eines Ar⁺ Lasers

Aus Tabelle 4 sind die wichtigsten technischen Parameter aller drei Arten von Edelgas-Ionen-Lasern (Ar⁺, Kr⁺ und Mischung Ar⁺ + Kr⁺) ersichtlich.

Tabelle 4: Technische Parameter der Edelgasionen-Laser

3. Strahlung eines Festkörperlasers

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Der erste 1960 weltweit realisierte Laser war ein Festkörperlaser mit einem Rubinkristall als aktives Medium mit einer Wellenlänge von 694 nm. Der Rubinkristall bestand aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), in dessen Gitter an Stelle von Al-Ionen die Chrom (Cr⁺⁺⁺)-Ionen eingebaut waren. Das eigentliche Lasermaterial war dreiwertiges Chrom. Allein die Chrom-Ionen nehmen an dem Laser-Vorgang teil, das Aluminiumoxid-Gitter ist nur zum Einbau der Chromatome da.

Jeder Festkörperlaser enthält als aktives Medium Kristalle oder Gläser, die mit Metallionen oder Ionen der seltenen Erden dotiert sind. Ein Lasermaterial muss im aktiven Zustand die kohärente Lichtwelle durchlassen, also optisch durchsichtig sein. Die Aktivierungsionen absorbieren optische Strahlung in einem breiten Spektralbereich. Durch Strahlungsübergänge erfolgt über verschiedene Zwischenniveaus die Anregung eines relativ langlebigen metastabilen Elektronenniveaus als Ausgangniveau der stimulierten Emission und damit des Laserüberganges. Die Festkörperlaser emittieren vorwiegend im sichtbaren und infraroten Spektralbereich (Tabelle 5).

Tabelle 5: Emission von Festkörperlasern

(vorwiegend im sichtbaren und im IR-Bereich)

Sie haben auch in den höheren Energieniveaus wesentlich breitbandigere Übergänge als Gase, so dass es auch mit thermischen Lichtquellen möglich ist, genügend Energie zur Erreichung der Inversionsbesetzung in das Material hineinzupumpen. Bei den Gasen ist die Absorption gering und daher muss die Anregung der Elektronen mit Hilfe der elektrischen Gasentladung durchgeführt werden.

Die Anregung bei Festkörper-Laser erfolgt ausschließlich durch das optische Pumpen unter Verwendung geeigneter Pumpen-Lichtquellen in einer speziellen Pumpenlichtanordnung, die zur wirkungsvollen Einkopplung der Pumpstrahlung in das Lasermaterial dient. Das Lasermaterial, das ist der Wirtskristall mit den aktiven Ionen, ist stabförmig geschliffenen und besitzt verspiegelte Stirnflächen. Es sind aufgedampfte Interferenzspiegel. Einer von ihnen erhält eine Durchlässigkeit von etwa 25 %. Diese hohe Durchlässigkeit des Spiegels ist möglich, weil der Festkörper-Laser eine sehr viel höhere Verstärkung hat als der Gaslaser, bei dem die Durchlässigkeit etwa nur 5 % beträgt. Der zweite Spiegel ist immer total reflektierend. Auch die restliche Oberfläche ist zur effektiven Einkopplung der Pumpstrahlung speziell behandelt. Die Abmessungen der Laserstäbe betragen je nach Art des Materials im Durchmesser rund 5 bis 80 mm und in der Länge 5 bis zu 100 cm. Die Erzeugung der Pumpstrahlung erfolgt im gepulsten oder kontinuierlichen Betrieb durch Lampen wie Xenonlampen, Kryptonlampen, Quecksilber-Hochdrucklampen oder Halogenglühlampen. Selten verwendet wird als Pumpe ein anderer Laser. Die Form der Lampen ist stabförmig mit einer Länge von 10 bis 50 cm und einem Durchmesser von 5 bis 30 mm oder auch wendelförmig und bestimmt weitgehend die verwendete Pumplichtanordnung. Um einen möglichst großen Anteil der Pumpstrahlung in das aktive Material, also in den Laserstab, einzukoppeln, werden folgende Anordnungen benutzt (Abb. 8):

• eine wendelförmige Lampe umgeben von einem zylindrischen Reflektor, in dessen Achse sich der Laserstab befindet

• eine stabförmige Lampe in der Brennlinie eines elliptischen reflektierenden Zylinders, in dessen anderer Brennlinie sich der Laserstab befindet.

• zwei oder mehrere stabförmige Lampen in den Brennlinien der dazugehörigen elliptischen Reflektoren mit einer gemeinsamen Brennlinie, in der der Laserstab montiert ist.

Der Wirkungsgrad der Festkörper-Laser liegt mit etwa 3 bis 5 % wesentlich höher als jener der Gas-Laser (rund 0,1 %). Im Impulsbetrieb eines Festkörper-Lasers hat der Impuls eine Länge von einigen Mikro- bis Millisekunden, die Ausgangsenergien liegen im Bereich von 1 bis 100Ws (= Joule). Durch die sehr kurze Dauer der Impulse führen diese Ausgangsenergien zu sehr hohen Leistungen im Bereich von einigen Kilo bis Megawatt. Die Impulsfolge liegt in der Größenordnung von einigen Milli-Hertz bis Kilohertz. Die Strahldivergenz ist sehr klein und beträgt einige Milli-Radiant (Tabelle 6).

Tabelle 6: Impulsfolge und Ausgangsleistung von Festkörperlasern

3.1. Neodym-YAG-Laser

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Diese Laserart Nd-Ionen: YAG ist der heute wichtigste Festkörperlaser. Die Vorteile sind der einfache Aufbau (Abb. 9), hohe Leistungen im Impulsbetrieb bei hoher Folgefrequenz bis zu 10kHz und auch möglicher kontinuierlicher Betrieb. Hinzu kommen noch hohe mechanische Festigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit. Der Wirtskristall besteht aus Yttrium-Aluminium-Oxyd (Y₃ Als O₁₂), dotiert mit dem Element Neodym (Nd⁺⁺⁺) der "Seltenen Erden" in der Größenordnung von 0,5 bis 3,5 %.

Abb. 9: VAG-Laser: Der umgebende Reflektor ist ellipsenförmig.

Pumplampe und Laserkristall befinden sich in den beiden Brennpunkten

der Ellipse.

YAG ist die Abkürzung für die amerikanische Bezeichnung:yttrium-aluminiumoxide-garnet. Bei Neodym in einem YAG-Kristallgitter ist das Absorptionsspektrum von 700 bis 880 nm am wirkungsvollsten (es umfasst den roten Anteil des sichtbaren Spektrums und einen Teil der IR-A-Strahlung). Somit kann leicht eine Inversion der Elektronen-Besetzung erzeugt und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Die Anregung erfolgt durch optisches Pumpen im Impulsbetrieb mit Xenonlampen und im kontinuierlichen Betrieb mit Halogenglühlampen oder Kryptonbogenlampen mit 2-fach elliptischem Reflektor. Zur Kühlung bei höheren Leistungen befinden sich die Lampen in einem von Wasser durchflossenen Zylinder(5 Liter/min). Das Wasser absorbiert den UV-Anteil des Pumplichtes und verhindert somit eine Verfärbung des YAG-Kristalls. Die nicht nützlichen Anteile der IR-Strahlung werden ebenfalls vom Wasser absorbiert. Dadurch wird gleichzeitig eine Aufheizung des Laserstabes vermieden, was eine hohe Lebensdauer des Kristalls bewirkt. Der YAG-Laser liefert eine linear polarisierte Strahlung. Da der YAG-Laser die höchste Energie bei der Wellenlänge 1064,8 nm, also im nicht sichtbaren infraroten Bereich (IR) ausstrahlt, wird im Strahlengang zusätzlicher Frequenzverdoppler- Kristall eingebaut. Dieser Kristall ist ein Kaliumdihydrogenphosphat- Kristall (KDP), der die einfallende Wellenlänge halbiert bzw. die Frequenz der Strahlung verdoppelt (Abb. 10a).

Abb. 10a: Frequenzverdoppler-Kristall von Wellenlänge

1064,8 nm auf 532,4 nm in einem YAG-Laser

Aus einem YAG-Laser mit 1064,5 nm wird so ein Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm (Farbe Grün). Diese grüne Strahlung fällt in den sichtbaren Bereich und noch dazu äußerst günstig, weil bei dieser Wellenlänge die relative spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges nahe dem Maximum liegt (90 %). Dies ist aus der genormten Hellempfindlichkeitskurve eines normalen Betrachters ersichtlich (Abb. 10).

Abb. 10: Genormte Hellempfindlichkeitskurve des normalen

Betrachters für Tagessehenadaptation

4. Anwendung der Laserentladung im Theater

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Die gegenwärtig im Theater meistverbreiteten Bühnenlichtquellen sind die thermischen Lichtquellen (= Glühlampen) und die Plasmalichtquellen (= Entladungslampen) mit ihren vielfältigen lichttechnischen Eigenschaften.

Diese beiden Arten von Lichtquellen haben aber keinesfalls die seltsamen Besonderheiten einer LASER-Lichtquelle. Dieses Licht besitzt extreme Farbreinheit und enorm hohe Leuchtdichte, ist scharf gebündelt, sowie beugungs- und interferenzfähig - Qualitäten, die herkömmliches Licht nicht aufweisen kann. Laserlicht ist für das Theater ein neues Gestaltungsmedium und bietet die Möglichkeit neuer faszinierender Ausdruckformen. Die strenge Einfarbigkeit des Laserlichtes bewirkt beim Zuschauer den Eindruck einer geradezu unwirklichen Leuchtkraft, die aus der Natur nicht bekannt ist. Die irisierende Brillanz dieses kohärenten Lichtes erweckt den Eindruck, als bewegten sich die einzelnen Lichtpunkte einer Granulationstextur (= Perlenstruktur) zueinander, was für den Zuschauer eine weitere Besonderheit darstellt. Außerdem können die Laserlichteffekte je nach Art des Lasers variabel in der Farbgebung erzeugt werden, wobei sie bei ausreichender Intensität den gesamten Bühnenraum ausfüllen können. Um die räumlichen Lasereffekte noch interessanter zu gestalten, erzeugt man auf der Bühne etwas Nebel oder Rauch-Wolken. Der Bühnenlaser ermöglicht des Weiteren auch, die Laserlichteffekte zeitlich mit anderen Vorgängen der Theateraufführung zu koordinieren, d.h. die Musik und/oder die Sprache (= beide sind zeitabhängige Tonereignisse) mit den Laserlichtfiguren zu synchronisieren und so eine Ton-Licht-Synthese zu schaffen.

4.1. Bühnenlaser-Anordnung

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Eine der vielen möglichen Anordnungen der Bühnenlaserapparatur ist in Abb. 11 zu sehen.

Abb. 11: Schematische Anordnung eines Bühnenlasers:

1-Kryptonlaser

2-Argonlaser

3-Farbfilter

4-lntensitätsregler

5-Foster Prisma

6-Lichtsperre

7-0bjektiv

8-Cuvette

9-Pressglas

10-Strukturscheibe

11-Lasereffekte

Sie besteht aus der inneren und äußeren Effektoptik. In der inneren Optik werden die beiden aus den Laserkanonen (1,2) austretenden Strahlen mit farbselektiven Filtern (3). Intensitätsreglern (4) und dem Strahlenvereinigungsteil (5) für die additive Farbmischung des Laserlichtes aus Argon- und Kryptonlaser beeinflusst.

Die Lichtsperre (6) bildet den Übergang in die äußere Effektoptik, wo das Strahlbündel breit aufgeweitet wird, im Gegensatz zur inneren Effektoptik, bei der es sich um scharf gebündelte Laserstrahlen handelt. Die Lichtsperre ermöglicht ein rasches Abblenden der Laserstrahlen (sog. Blackout).

Die Objektivrevolver (7) mit Objektiven unterschiedlicher Brennweiten ermöglichen die Einstellung des Aufweitungswinkels des Laserstrahles. Damit kann der durchstrahlte Bereich der Effektelemente (8,9,10) verändert werden, was letztlich die Größe der projizierten Lasereffekte (11) bestimmt.

Die Effektelemente, auf denen es zur Diffraktion (= Beugung) des Laserstrahles und als Folge davon zur Interferenz (= Überlagerung) im Raume kommt, können in kontinuierliche oder sprunghafte Bewegungen in horizontaler, vertikaler oder rotierender Richtung gesetzt werden. Alle Bewegungsvorgänge können einzeln oder kombiniert ablaufen und in ihrer Geschwindigkeit stufenlos verändert werden. Die Richtungen aller Bewegungsvorgänge sind zu jedem Zeitpunkt umkehrbar, was eine enorme Vielfalt der Lichtfiguren zur Folge hat.

Für die Ton-Licht-Synthese der Lasereffekte wird eine akustooptische Einrichtung (Abb. 12) in den Strahlengang vor der Lichtsperre eingeschoben.

Abb. 12: Funktionsanordnung des akusto-optischen Strahlablenkers:

1 - V-förmiger Doppelspiegel,

2 - Schwingspiegel

3 - Lautsprechermembran

4 - Dämpfungsglied

Diese Einrichtung ist ein Schwingspiegel, der von einer gedämpften Lautsprechermembrane angeregt wird, während ein feststehender V-förmiger Doppelspiegel für die Aus- und Wiedereinkopplung des Laserstrahles sorgt. Die Frequenz der Ablenkung und damit der Auslenkungsgrad kann sowohl von Musik oder Sprache als auch von einem Takt- oder Funktionsgenerator gesteuert werden. Es gibt auch einfache Anordnungen, die eine effektvolle Erscheinung der Laserfiguren gewährleisten. Beispiele dafür sind der Tunneleffekt und der Unendlichkeitsperspektiveneffekt (Abb. 13 und 14)

Abb. 13: Tunneleffekt mit rotierendem Laserstrahl,

"Lohengrin" von Richard Wagner, Bayreuther Festspiele 1987

Abb. 14: Unendlichkeitseffekt mit vier Laserstrahlen,

"Das Rheingold" von Richard Wagner, Bayreuther Festspiele 1988

Für den Tunneleffekt ist als Hauptelement ein schnell rotierender Spiegel erforderlich, welcher mit einer Frequenz rotiert, die höher als die Flimmerfrequenz des menschlichen Auges ist. Mittels einiger Ablenkspiegel lässt sich der Unendlichkeitseffekt realisieren, der meist mit vier Laserstrahlen dargestellt wird, die perspektivisch zu einem gemeinsamen Punkt zueinander ziehen und damit den optischen Eindruck der Unendlichkeit auf der Bühne erzeugen.

Anhand dieser beschriebenen Anordnungen und in Folge der oben genannten besonderen Eigenschaften des Laserstrahles können ein- oder mehrfarbige, ruhende oder bewegte Lichtfiguren auf die Horizontfläche der Bühne oder in den Bühnenraum projiziert werden, die dem Zuschauer als schwebende Lichtplastiken erscheinen. Diese Lichtfiguren, die auf den optischen Gesetzen der Beugung und Überlagerung des Lichtes beruhen, können aufgrund der additiven Farbmischung (z. B. Rot + Grün = Gelb) in allen Farben des Spektrums vom tiefsten Blau über helles Grüngelb bis in das dunkle Rot und im Purpurbereich, erscheinen.

4.2. Laserstrahlenschutz

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Laserstrahlung unterscheidet sich von den meisten anderen bekannten Strahlungsquellen durch seine Strahlbündelung. Diese ergibt außergewöhnlich hohe Energiemengen, die beim Auftreffen auf biologisches Gewebe auf dieses übertragen werden. In jedem Falle der Anwendung des Bühnenlasers müssen daher die Laserschutzbestimmungen eingehalten werden. Laser, die im Ultravioletten und im fernen Infrarot emittieren, stellen eine Gefahr für die Hornhaut des menschlichen Auges dar. Laser im sichtbaren Bereich und im nahen Infrarot, deren Strahlung bis zur Netzhaut übertragen wird, gefährden das Auge in besonderem Maße, da die speziellen Eigenschaften, die das Auge zur wirkungsvollen Aufnahme von Licht benötigt, zu einer hohen Bestrahlung des stark pigmentierten Gewebes führen. Die Zunahme der Bestrahlungsstärke von der Hornhaut bis zur Netzhaut ist etwa gleich dem Verhältnis der Pupillenfläche zur Fläche des Bildes auf der Netzhaut. Diese Zunahme entsteht dadurch, dass das licht, das durch die Pupille tritt, punktförmig auf der Netzhaut abgebildet wird. Die Pupille ist eine variable Öffnung, deren Durchmesser aber bis zu 7 mm betragen kann, wenn sie vollständig aufgeweitet ist. Das Bild auf der Netzhaut, das diesem Pupillenzustand entspricht, kann einen Durchmesser zwischen 10 und 20 nm besitzen. Deshalb beträgt die Zunahme der Bestrahlungsstärke zwischen Hornhaut und Netzhaut etwa 2 x 10⁺⁵. Wird ein intensiver Laserstrahl auf die Netzhaut fokussiert, dann wird er durch die Sehpigmente in den Stäbchen und Zäpfchen absorbiert. Diese absorbierte Energie erzeugt örtlich Aufheizung und verbrennt sowohl das Pigmentepithel als auch die lichtempfindlichen Stäbchen und Zäpfchen. Diese Verbrennung oder Läsion führt zum Verlust des Sehvermögens. Im Gegensatz zum Auge kann die menschliche Haut wesentlich höhere Bestrahlungsstärken an Laserstrahlenenergie vertragen. Die biologische Wirkung der Bestrahlung der Haut mit Laser im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich kann variieren zwischen schwachem Sonnenbrand und schwerer Blasenbildung. Aschenartige Verkohlungen treten in Geweben an der Oberfläche nach kurzdauernder Laserbestrahlung hoher Leistung auf.

Der Bühnenlaser kann aber vollkommen ungefährlich sein, wenn er, wie jedes technische Gerät, sachgemäß bedient wird. Bei den Lasereffekten wird meist der stark gebündelte Strahl aufgeweitet, und diese Aufweitung setzt die Gefährdung im Bereich des Effektstrahlenkegels wesentlich herab. In diesem Strahlenkegel sinkt die Bestrahlungsstärke, wie bei den herkömmlichen Bühnenlichtquellen, quadratisch mit der Entfernung. Im Bereich des Strahlenkegels sollen keine spiegelnden oder fokussierenden Elemente verwendet werden, die zufällig das aufgeweitete Laserlicht wieder teilweise bündeln könnten. Die Aufstellung des Bühnenlasers kann grundsätzlich drei verschiedene ungefährliche Positionen haben. Steht der Laser auf der Hinterbühne, dann nennt man die Anordnung Rückprojektion. Befindet sich der Laser seitlich in den Kulissen, spricht man von einer Aufprojektion. Ist der Laser im Zuschauerraum untergebracht, wird diese Art Überkopfprojektion genannt. In diesen drei Fällen sind die Zuschauer und die auf der Bühne Agierenden ungefährdet, unter der Voraussetzung, dass die Projektionsflächen diffus (= streuend) sind. Die Agierenden müssen vom Bedienungspersonal darauf hingewiesen werden, dass sie den direkten Blickkontakt mit dem Laserstrahl absolut vermeiden.

LITERATUR

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• Bruner, W., Junge K.: Lasertechnik, Eine Einführung, 3. Auflage, Heidelberg, Alfred Hüthig Verlag, 1987

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• Krzeszowiak, T.: Farbe in der Bühnenbeleuchtung, Festvortrag, 111. Internationales Symposium "Farbe und Farbmetrik", Universität Marburg, Slowenien, 27.-29.9.1990, Tagungsbericht,S.8/1-8/15

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• ÖNORM-EN 207: Persönlicher Augenschutz gegen Laserstrahlung ...

• ÖNORM-EN 208: Persönlicher Augenschutz: Brillen für Justierarbeiten ...

• ÖNORM-EN 61040: Empfänger, Messgeräte und Anlagen zur Messung von Leistung ...

• ÖNORM-EN 56912: Sicherheitstechnische Anforderungen für Bühnenlaser und Bühnenlaseranlagen, 1981

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