Warum macht helles Licht / Laser blind?

[bord71]

Hey,
bin neu hier und verstehe nicht, warum ein Laserpointer blind / Augenschäden hervorruft.
Voraussetzung ist natürlich, dass ein GUTER IR-Filter verbaut ist.

Wieso kann helles Licht Schäden hervorrufen? Die Zerstörungswirkung kommt doch
von der Wärmewirkung. Wenn aber z.B. nur grünes oder rotes Laserlicht ins Auge trifft,
wieso geht dann etwas kaputt? Hat die Frequenz überhaupt die nötige Energie?
Denke da an den Fotoelektrischen Effekt, bei dem nur die Frequenz (=Energie) entscheidet und nicht die Amplitude/Helligkeit.

Gruß
Tom

[random]

Im Gegensatz zu "normalem" Licht ist Laserlicht nicht nur gebündelt, sondern auch parallel. Das Auge kann dies zudem besser bündeln, und dadurch ist die Energiedichte an der Netzhaut höher = macht *puff*

[mackel]

Hi Bord,

du kennst sicherlich das Experiment mit der Linse, dem Sonnenlicht und dem Blatt Papier,
dass man das Sonnenlicht so mit der Linse fokussieren kann, dass das Papier anfängt zu brennen.
Ohne nicht. Dies kommt daher das man die ganze Lichtenergie die auf die Linse trifft, auf einen Punkt konzentriert.

Da in deinem Auge auch eine Linse ist passiert dort genau das gleiche.
Wenn du deine Hand vor den Laser hältst ist wird es nicht merkbar warm.
In deinem Auge ist aber eine Linse zum fukussieren, damit du immer scharf siehst.
Genau diese Linse macht das gleiche wie bei dem Papier-Experiment mit deiner Netzhaut.
Nur in kleinem Maßstab.

Bei nem Laserstrahl ist die Energiedichte ohnehin schon sehr groß.
Sie fokussiert aber den ca. 2mm Laserbeam auf mehrere Micrometer Netzhaut,
diese Micrometer große Fläche wird nun allerdings der gleichen Energie ausgesetzt,
wie dem 2mm Punkt auf deiner Hand. Nur auf viel kleinerer Fläche.
Daher kann er das Gewebe auf deiner Hand nicht zerstören, wohl aber auf deiner Netzhaut.

mackel

[bord71]

@mackel
Das Experiment mit der Linse und Sonnenlicht funktioniert aber auch nur, da die Wärmestrahlung der Sonne gebündelt wird. Wenn ich
ein IR.-Filter vor die Linse halte, dann fängt da nichts an zu brennen.

Wenn ich der Argumentation folge:
Wenn also genug grünes Licht OHNE Wärmestrahlung vorhanden ist, dann ENTSTEHT dadurch auch Wärme? Entsteht die Wärme bei der Absorption des grünen Lichts?
Es wird immer von Energiedichte gesprochen - meint ihr damit letztendlich Energie in Form von Wärme - oder was zerstört letztendlich die Netzhaut?

Tom

[mackel]

Licht ist auch Energie, die leicht zu wärme Energie wird, daher wird es im schwarzen Auto auch wärmer als im Weissen, da das weisse das meiste Licht reflektiert und das schwarze hält nicht.

Auf die Gefahr hin, dass ich jetzt von meinen Freakkollegen gekillt werde: (lustballon platzen lassen)
Wenn du einen blauen Laserpointer auf einen blauen Luftballon hältst, wird der nicht platzen, da er blaues Licht reflektiert.
Ein roter Luftballon wird platzen, da er Blau nicht reflektieren kann, also das blaue Licht absorbiert, also in Wärme umwandelt. Dadurch wird das Gummi weich... Luftballon platzt.


Hoffe das klärt es soweit, ansonsten: Es giebt wirklich tolle (Grundlagen-) Physikbücher.

[random]

Das Experiment mit der Linse und Sonnenlicht funktioniert aber auch nur, da die Wärmestrahlung der Sonne gebündelt wird.
Tom

Es gibt in dem Sinne keine "Wärmestrahlung" als etwas Eigenständiges. Das http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromag ... s_Spektrum zieht sich von äusserst langwellligen (energiearmen) bis zu den äusserst kurzwelligen (energiereichen) Gammastrahlen bzw. hin. Die Wärmestrahlung ist dabei ein Teil des Infraroten Spektrums.

Die Energie der Strahlung ist proportional zur Frequenz (bzw. reziprok zur Wellenlänge). Fällt (im Atom) ein angeregtes Elektron wieder auf seinen Grundzustand (oder einen anderen, niedrigeren Zustand als der angeregte) zurück http://www.forphys.de/Website/qm/gloss/emission.html, so gibt es die Energiedifferenz http://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_Atommodell als Photon ab http://de.wikipedia.org/wiki/Spontane_Emission. Je höher diese Differenz ist, desto höher die Frequenz und Energie des "Lichtes" dieses Photons.
Die Energie kann nur in ganz bestimmten Portionen vom Elektron aufgenommen bzw. abgegeben werden http://de.wikipedia.org/wiki/Plancksche ... ngsquantum bzw. http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_K%C3%B6rper.

Beim Laser macht man sich einen Effekt zunutze, der sich http://de.wikipedia.org/wiki/Stimulierte_Emission nennt. Dabei werden angeregte Elektronen gezielt abgeräumt (und so zum Abgeben eines Photons "gezwungen" werden). Das abgegebene Photon entspricht in seinen Eigenschaften genau dem Einfallenden Photon (also Phase, Wellenlänge, Richtung), umgangssprachlich wurde das einfallende Photon "verstärkt".

Wie erreicht man diesen Effekt? Dafür sind u.a. die beiden parallelen Spiegel im Laser da, denn Photonen, die genau dazwischen fliegen, räumen Elektronen ab, die wiederum Photonen abgeben die weitere Elektronen abräumen (wenn die Menge der zugeführten Energie stimmt und die http://de.wikipedia.org/wiki/Besetzungsinversion im Atom nicht völlig zum Erliegen kommt.) Photonen, die durch spontane emission "irgendwohin" fliegen (und ggf. Elektronen abräumen) verlassen das System "LASER" recht schnell, da sie sich nicht in der Resonanzrichtung zwischen den Spiegeln befinden.

Wie schliesst sich der Kreis jetzt?
a) ist die Energiedichte von sichtbarem Licht höher als die von Infrarotstrahlung, IR wird von uns nur als http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmestrahlung empfunden.
b) werden parallele Strahlen durch Optiken besser gebündelt als nicht-parallele, wodurch im Auge auf der Netzhaut ein (vom ohnehin schon dünnen, energiereichen Laserstrahl) wesentlich feinerer Punkt entsteht. Das Problem ist hier: Energie/Fläche http://de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte. Und im Auge heisst das: Je grösser desdo **puff**.
Sonnenlicht oder das von Lampen ist nicht parallel, sondern hat idR. einen sehr grossen Abstrahlkegel. Dadurch wird die Energie bereits im Vorfeld auf eine grosse Fläche verteilt (was ja auch gewünscht ist ).

Halte mal im dunklen Zimmer einen grünen 5mW Laser an die weisse Decke, dann ist der Raum mehr oder minder hell. Dann bekommst du einen ungefähren Eindruck von der Energie, die in dem Strahl steckt.

Holpriger Vergleich: Eine Glühlampe hat einen Wirkungsgrad von <5% http://de.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BChl ... htausbeute, d.h. bei einer 100W Glühlampe kommen max. 5W als Licht heraus.

So, das muss zunächst reichen

VG,
/th.

[bord71]

... vielen Danke für die ausführlichen Antworten.

Und im Auge heisst das: Je grösser desdo **puff**

Aber Puff kann es ja nur machen, wenn die Strahlung mit der Materie ausreichend in Wechselwirkung tritt. Heißt dies, wie weiter oben von mir
angenommen, dass das Laserlicht (Strahlungsenergie) beim Auftreffen/Absorbieren auf der Netzhaut teilweise in Wärmeenergie (beschleunigte Bewegung der Atome/Moleküle der Netzhaut mit einhergehenden unerwünschten chemischen Reaktionen/Gewebszerstörung) umgewandelt wird und dadurch der Schaden entsteht?

Tom

[jonasst]

Hallo Tom,
es gibt verschiedene Arten der Gewebeschädigung im Auge:

- Im Weiten IR oder Kurzem UV bereich ist das Auge nicht mehr transparent. Hier entstehen bei sehr starker Bestrahlung Schäden an der Hornhaut (vergleichsweise harmlose zu den folgenden)

- Wie schon von anderen beschrieben wird das Licht im nahen UV bis zum nahen IR auf die Netzthaut gebündelt. Hier gibt es dann verschiedene Reaktionen:
-Bei kürzeren Wellenlängen (ca. kleiner 500nm) kann auch schon vor einem thermischen Effekt eine chemische Reaktion stattfinden, die das Auge schädigt (Photochemische Schäden)
-Bei ein wenig mehr Leistung gerinnt das Eiweis in deinem Auge (wie ein Spiegelei) (also ein thermischer effekt durch absorbtion der Laserstrahlung)
-Bei noch etwas mehr Leistung verbrennt die Netzthaut
- Bei NOCH etwas mehr Leistung verdampft das Gewebe, es giebt eine kleine Dampfexplosion in deinem Auge, die auch umliegendes Gewebe zerstört, dabei soll man antscheinend ein kleines PLOPP oder PUFF hören.

hoffe du kannst noch schlafen

Gruß
Jonas

PS: falls ich eine Horrorstory vergessen haben sollte, bitte hinzufügen

[undineSpektrum]

ich habe es doch geahnt ....

An dieser Diskussion interessant ist, daß bord71 vollkommen richtig ( also quantenoptisch ! ) argumentiert, denn die Quantenenergie einzelner Lichtquanten z.B. eines He-Ne-Lasers bei 632,8 nm Wellenlänge ist wirklich sehr gering... die können fast nichts bewirken.
Nur: Die Anzahl der Photonen in einem Laserstrahl pro bestrahlter Flächeneinheit ist sehr sehr groß ... liegt im Bereich von 10^16 Photonen, da macht es dann durch die große Anzahl "Puff!"...

Deshalb:

@ bord71 :
Richtig... Du hast recht, was die Photonenenergie der einzelnen Photonen eines Lasers anlangt - bleiben wir beim He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm. ("hellroter Laserpunkt")...
Die Photonenenergie einzelner Lichtquanten dieses Lasers ist dann:

h*(c/lambda)=6.626*10^-34*J*s*((2.9979*10^8*(m/s))/(632.8*10^(-9)*m))=3.13*10^(-18)*J=1.96eV

1J ist die Energie, die 1 Gramm (1ml) Wasser um 1°C erwärmt ... hieraus ist klar, daß diese Quantenenergie über die Erwärmung z.B. der Netzhaut nicht mal nachweisbar ist.
Auf ein einzelnes Elektron wirkt diese Energie daher wie eine Zink-Kohle-Batterie... ( 1,96eV)

Ein typischer Helium-Neon-Laser hat aber bei der Wellenlänge 632.8nm eine Ausgangsleistung von typischerweise 1mW (Klasse 2 Laser), die Strahlquerschnitte liegen dabei bei ca. 1mm², manchmal auch mehr oder weniger, je nach Abstand vom Laser.
Quantenoptisch ausgedrückt ist eine Leistung von 1mW auf einer Fläche von etwa 1mm² aber eine Anzahl von n=(10^(-3)*J)/(6.626*10^-34*J*s*((2.9979*10^8*(m/s))/(632.8*10^(-9)*m)))=3.1*10^(15)=3100000000000000 Lichtquanten auf 1 mm² in der Sekunde - das ist verdammt viel!
Bei noch höheren Leistungen (z.B. 5 mW ) kommen dann noch ein Paar Nullen an die Photonenzahl dran... Eine Vielzahl von Photonen wirken eben ganz anders als die von Dir betrachteten Einzelgänger, die nicht mal ( oder nur mit erheblichem meßtechnischen Aufwand ) nachweisbar sind...
Die Leistung von 1 mW ( das sind die ca.3100000000000000 Lichtquanten ) erwärmen einen Würfel von 1mm Kantenlänge mit der spezifischen Wärme von Wasser in Deiner Netzhaut in einer Sekunde um 2-3°C... und das Eiweiß gerinnt - Netzhaut kaputt an dieser Stelle!
Die große Anzahl der Quanten macht es - den Wärmeeffekt und warum es "puff!" macht... Verstanden?

Also, Fazit: Niemals in einen Laserstrahl hineinschauen! - Alles andere haben meine Vorredner bereits treffend und anschaulich erklärt...

Ich finde es trotzdem gut dass Du Dir mit Deinem Wissen Gedanken gemacht hast...

Grüße,

Undine

[Hatschi]

Halli Hallo

1mm² am Eintrittpunkt ins Auge (Hornahut/Linse), auf der Netzthaut dann nochmal stark gebündelt!

Hatschi

[undineSpektrum]

@ Hatschi:

vielen Dank für Deine hier wichtige Ergänzung(!) - das menschliche Auge hat ja noch eine Augenlinse und ist keine Sehgrube, wie ein Schneckenauge.
Bei Fokussierung kommen wir eher so auf einen Würfel mit 30 - 50µm Kantenlänge der erwärmt wird - und das gibt dann höhere Temperaturen...
Konkrete Berechnung geht über die Theorie des Gaußstrahls (w(z))(!)...

Ich wollte mit meiner Rechnung zeigen, woher der Wärmeeffekt bei einer quantenoptischen Argumentation kommt... aus der Vielzahl der Lichtquanten, die im klassischen Grenzfall eine (Zusammen-)Wirkung wie die Spitze eine Lötspitze haben ...
Schon ohne Fokussierung koaguliert ggf. das Eiweiß im Gewebe bei einem "Treffer"... das hat ja auch nicht die spezifische Wärme von Wasser hat, sondern einen geringeren Wert...

Das zeigt auch nochmals : Auch kein Laser der Schutzklasse 2 ( typischer He-Ne-Unterrichtslaser / Laserpointer ) ist kein Spielzeug und sollte mit Respekt und Wissen um Gefahren gehandhabt werden...

Grüße,

Undine

[Dimi]

Ich kann mir sehr gut vorstellen dass auch die Netzhaut ein sehr empfindliches Gewebe ist,
gegenüber, oder besser im Vergleich zum Hautgewebe. Die Haut ist doch recht widerstandsfähig und
verfügt in Grenzen über Heilungsmöglichkeiten.
Bei mir wurde vor Jahren eine Netzhautschwäche festgestellt und wurde in der Augenklinik gelasert.
Dabei wird die Netzhaut, bzw. die Stellen der geschwächten Netzhaut, soweit ich verstanden habe,
an den dahinter liegenden Gewebe mit einen recht schwachen Laser punktweise angeschweißt
um eine vermeitliche Ablösung zu vermeiden.
Das Punktschweißen habe ich überhaupt nicht wahrgenommen, nur das vorab Pupillenaufweiten war etwas unangenehm...