Ph 12

Technik

Laser


Ein Laser besteht aus einem geeignetem Medium (z.B. Rubinkristall, CO2, He-Ne Gemisch). Dabei werden die Atome des Mediums durch Bestrahlung von außen mit Licht angeregt, d.h. die Elektronen werden durch Absorption eines Photons in einen höheren Energiezustand versetzt. Kurze Zeit später fallen Sie im allgemeinen wieder in den Grundzustand zurück und senden dabei wieder ein Photon derselben Wellenlänge bzw. Energie in eine beliebige Richtung aus. Wird das bereits angeregte Atom von einem Photon der Anregungs-Wellenlänge getroffen, so gibt das Atom die Energie sofort in Form des Lichtquants ab, das genau in der gleichen Richtung wie das anstoßende Photon ab, so dass die beiden Photonen praktisch im Gleichtakt davon sausen.
Spontane Emission
Induzierte Emission
Bei spontaner Emission bewegt sich das emittierte Photon in eine beliebige Richtung. Bei induzierter Emission bewegt sich das emittierte Photon mit dem induzierenden Photon gemeinsam in dessen Richtung.

Diese von Einstein gefundene Tatsache nutzt man beim Laser.
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
Deutsch: Lichtverstärkung durch erzwungene (induzierte, stimulierte) Emission von Strahlung.

Man bringt das Medium zwischen zwei sich gegenüberstehenden Spiegel und regt möglichst viele Atome von außen an. Wird ein Photon in Richtung auf einen Spiegel entsandt so wird es zurückreflektiert und löst durch induzierte Emission weitere Photonen aus, die nach Reflexion an den Spiegeln, in das Medium zurückkehren und weitere Photonen induzieren. Dieser Prozess schaukelt sich lawinenartig auf. Einer der Spiegel (Auskoppelspiegel) reflektiert nur etwa 99 % und lässt einen kleinen Teil des Lichtes durch und so bildet sich der externe Laserstrahl.
Prinzip des Lasers

Die Spiegel garantieren, dass praktisch alle angeregten Atome in der Längsachse der Laserröhre induziert angeregt werden. Außerdem wird durch den Abstand der beiden Spiegel die mögliche Wellenlänge festgelegt. Der Spiegelabstand ist ein Vielfaches der halben Wellenlänge, da zwischen den Spiegeln eine stehende Welle entsteht, bei der sich nur Licht mit diesen Wellenlängen konstruktiv überlagert.
Bei diesem Prozess sind sowohl die Ausstrahlungsrichtungen als auch die Phasen und Wellenlängen aller Photonen gleich. Das emittierte Licht ist zeitlich und räumlich kohärent und intensiv.
Die induzierte Emission wird praktisch erst möglich, wenn sich mehr Atome im angeregten als im Grundzustand befinden. Diese Inversion genannte Besetzung der Energieniveaus ist ein sehr unwahrscheinlicher Stoffzustand, der nur bei Verwendung geeigneter Medien erreicht werden kann. Insbesondere braucht man Atome, die in einen metastabilen Zustand übergehen, aus dem sie nicht zu schnell spontan in den Grundzustand zurückfallen. Ein Beispiel dazu ist der Helium-Neon-Laser, ein anderes Beispiel ist der Rubin-Laser.

Eine sehr eindrucksvolle und einleuchtende Erklärung der Laserfunktion findet ihr bei Physics 2000 - in Deutsch von Uni Bonn.

Physics 2000
He-Ne-Laser
Rubin-Laser