Laser

Atomphysik

Laser

  • Wie funktioniert ein Laser?
  • Was macht einen Laser so besonders?
  • Wo wendet man Laser an?

Nachdem wir die allgemeinen Grundlagen kennengelernt haben, die sich auf alle Laser-Typen gleichermaßen beziehen, werden wir nun den Helium-Neon-Laser als konkretes Beispiel betrachten.

Der Aufbau

Das Medium – ein Gas aus zwei Komponenten

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Helium-Neon-Laser in Betrieb
By Tommy Markstein (Own work)
Herzstück des Lasers ist ein Glasrohr mit einem Durchmesser von ca. \(1\rm{mm}\). Das Gas darin hat einen geringen Druck und besteht aus einer Mischung aus \(80\% \) Helium- und \(20\% \) Neon-Atomen. Die Neon-Atome sind das laseraktive Medium, in dem die Besetzungsinversion erzeugt wird.

Die Pumpe – Hochspannung erzeugt eine Gasentladung

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Schematische Darstellung eines Helium-Neon-Lasers
Bastian Osterloh
Nahe den Enden des Glasrohrs sind zwei Elektroden eingebaut: die Kathode und Anode. Bei angelegter Hochspannung werden an der Kathode Elektronen ins Gas abgegeben und an der Anode wieder abgezogen.

Der Resonator – zwei Spiegel führen das Licht

An den beiden Enden des Glasrohrs sind zwei parallele Spiegel befestigt. Einer der Spiegel ist teildurchlässig und ca. 2% des Lichtes können hier austreten. Dieses Lichtbündel wird etwas salopp als Laserstrahl bezeichnet.

Die Funktionsweise des Helium-Neon-Lasers

Das Pumpen bringt Energie ins System

Im Helium-Neon-Laser wird zum Pumpen nicht Licht verwendet, sondern elektrische Energie. Eine Hochspannungsquelle wird an die Elektroden des Glasrohrs angeschlossen. Dadurch kommt es zu einer Gasentladung. Das bedeutet, dass sich Elektronen durch das Gas bewegen und auf ihrem Weg durch Stöße die Gasatome ionisieren. Dabei werden weitere Elektronen frei, die ihrerseits (durch die angeschlossene Spannung beschleunigt) mit den Helium- und Neon-Atomen zusammenstoßen.

Die durch die Stöße übertragene Energie regt primär die Helium-Atome an. Diese angeregten Helium-Atome können durch Stöße wiederum weitere Neon-Atome anregen. So kommt es in den Neon-Atomen zu einer Inversion.

Im folgenden Abschnitt betrachten wir die Energieniveaus und die Übergänge in dem Gasgemisch genauer.

Das Laserlicht entsteht – ein Zusammenspiel mehrerer Komponenten 

Bis jetzt sprachen wir immer einfach von „höheren“ und „tieferen“ Energieniveaus. Nun werden wir am Beispiel des He-Ne-Lasers konkreter.

Um die Energien zu beschreiben nutzen wir die Einheit  Elektronenvolt (\( \rm{eV}\)). Diese ist keine  SI-Einheit, findet aber in der Physik der kleinen Teilchen sehr viel häufiger Anwendung als das Joule, da es „handlicher“ ist: Die Physikerinnen und die Physiker sagen lieber „Der Stoß der Atome überträgt \(1  \rm{eV}\)“ als „Der Stoß überträgt \(1,602 \cdot {10^{ - 19}} \rm{J}\)“.

1. Schritt

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Bastian Osterloh
Viele Helium-Atome werden durch die Gasentladung angeregt.

In einem Helium-Atom geschieht dabei Folgendes: Durch die Stöße mit den schnellen freien Elektronen der Gasentladung wird Energie auf das Helium-Atom übertragen. Vor dem Stoß war das Atom im energetischen Grundzustand, nun ist es angeregt, da das Atom von dem Energieniveau \(E_{\rm{1,He}}\) auf \(E_{\rm{2,He}}\) gewechselt ist. Das Atom hat durch den Stoß \(20,61\rm{eV}\) Energie aufgenommen.

Dieser Zustand ist metastabil, bleibt also verhältnismäßig lange erhalten.

2. Schritt

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Bastian Osterloh
Das Neon-Atom hat nun ein Energieniveau, das \(20,66\rm{eV}\) über seinem energetischen Grundzustand liegt. Nun sind in einem Gas die Teilchen ständig in Bewegung und stoßen miteinander zusammen. Trifft ein angeregtes Helium-Atom auf ein Neon-Atom im energetischen Grundzustand, kann das Helium-Atom seine gesamte Anregungsenergie bei der Kollision auf das Neon-Atom übertragen.

Die Energieniveaus sind zwar nicht exakt gleich, aber die noch fehlende Energie von \(0,05\rm{eV}\) bringt der Stoßprozess in Form von kinetischer Energie selbst mit ein.

3. Schritt

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Bastian Osterloh
Das Energieniveau \(E_{\rm{3,Ne}}\) im Neon-Atom ist auch metastabil. Salopp gesagt „wartet“ das Atom ab, bis ein passendes Photon „vorbeikommt“ und eine stimulierte Emission auslöst.

Passiert dies, geht das Atom nicht direkt auf den Grundzustand zurück, sondern zunächst auf \(E_{\rm{2,Ne}}\). Dieses liegt \(1,96\rm{eV}\) unter \(E_{\rm{3,Ne}}\).

4. Schritt

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Bastian Osterloh
Der Zustand \(E_{\rm{2,Ne}}\) ist sehr kurzlebig. Nach kurzer Zeit fällt das Atom durch spontane Emission und Stöße mit dem Glas des Rohrs auf \(E_{\rm{1,Ne}}\). Nun kann das Neon-Atom wieder durch ein Helium-Atom angeregt werden. Der Prozess beginnt von Neuem.

Die obige Darstellung der Energieniveaus und der Übergänge in den Atomen ist vereinfacht dargestellt, damit der wesentliche Prozess besser gezeigt werden kann. Du fragst dich vielleicht, ob auch Neon-Atome durch die Gasentladung direkt angeregt werden können. Nun, dies geschieht zwar auch, aber bei Helium-Atomen ist die Wahrscheinlichkeit für eine Anregung viel größer.

Da vier Energieniveaus beteiligt sind, ist der Helium-Neon-Laser ein sogenanntes "Vier-Niveau-System".

Der Resonator bestimmt die Richtung des Laserlichtes

Wir haben nun ein Medium, in dem per stimulierter Emission Photonen der Wellenlänge \(\lambda = 633\rm{nm}\) verstärkt werden können.

Die stimulierte Emission wird durch Photonen ausgelöst, die durch spontane Emission entstanden sind. Wie im Abschnitt Stimulierte (induzierte) Emission erläutert, bewegen sich diese spontan emittierten Photonen in eine beliebige Richtung. Auf ihrem Weg durch das Gas lösen sie stimulierte Emissionen aus.

An den Enden des Glasrohres sind zwei Spiegel angebracht. Die Photonen, die senkrecht auf einen der beiden Spiegel treffen, werden reflektiert und bewegen sich wieder durch die angeregten Neon-Atome des Gases. Bei jedem Durchlauf des Glasrohres kommt es zu einer Verstärkung dieses Lichtes.

Alle Photonen, die nicht senkrecht auf die Spiegel treffen, verlassen das Glasrohr und sind für den Laserprozess verloren. Sie verursachen das rote Leuchten des Gases im Glasrohr.

Das Laserlicht wird im Resonator verstärkt und verlässt den Laser

Um die optimale Leistung des Lasers zu erreichen, müssen die beiden Spiegel des Resonators so eingestellt werden, dass der Abstand zwischen ihnen einem Vielfachen der halben Wellenlänge des Laserlichtes entspricht. So kann sich eine stehende Lichtwelle zwischen ihnen bilden. Wenn der Abstand nicht genau eingestellt ist, kommt es durch destruktive Interferenz zu einer Abschwächung des Laserlichtes.

Da einer der beiden Spiegel des Resonators für das Licht teildurchlässig ist, können ca. \(2\% \) des Lichtes aus dem Resonator austreten - der Laserstrahl wird sichtbar.

Die Eigenschaften des Helium-Neon-Lasers

Der Helium-Neon-Laser emittiert rotes Licht der Wellenlänge \(\lambda = 633\rm{nm}\). Es handelt sich um einen sogenannten Dauerstrichlaser, d.h. er strahlt, wenn er eingeschaltet ist, dauerhaft Licht aus (Mehr dazu im Abschnitt Laser-Typen).

Das Licht ist nahezu monochromatisch, besitzt eine ausgezeichnete Kohärenz (d.h. die relativ langen, vom Laser ausgesandten Wellenzüge haben untereinander eine feste Phasenbeziehung) und weitet sich über große Strecken kaum auf, ist also näherungsweise parallel. Somit ist der Laserstrahl bestens für viele Arten von Interferenzexperimenten geeignet.

Nachteile des Helium-Neon-Lasers sind seine geringe Ausgangsleistung (man kann mit ihm keine Materialien erhitzen geschweige denn schneiden) und sein relativ großer und aufwendiger Aufbau. Zudem kann er leicht kaputt gehen.

Die Besetzungsinversion bei den Neon-Atomen wird auf etwas andere Art als beim Rubin-Laser erreicht. Im Helium-Neon-Gasgemsich werden in einer Entladungsröhre die Heliumatome durch Elektronenstoß auf ein E2,He = 20,61eV über dem Grundniveau liegendes Anregungsniveau gehoben. Neon besitzt bei E3,Ne = 20,66eV ein um nur 0,05eV höheres Anregungsniveau, welches metastabil und somit für Laseranwendungen gut geeignet ist. Bei Zusammenstößen von Atomen mit annähernd gleichen Energieniveaus geht die Anregungsenergie des einen Atoms mit sehr großer Wahrscheinlichkeit auf das andere Atom über. Auf diese Weise wird das Neonatom durch den Stoß mit einem angeregten Heliumatom auf den metastabilen Anregungszustand gebracht (die fehlenden 0,05eV stammen aus der kinetischen Energie der Stoßpartner). Stimulierte Emission auf ein niedrigeres Anregungsniveau des Neons mit E2,Ne = 18,70eV kann durch ein Photon der richtigen Wellenlänge (λ = 632,8nm) ausgelöst werden. Aus diesem kurzlebigen Niveau mit E2,Ne geht das Neon schnell in den Grundzustand mit E1,Ne über. Nun kann es wieder durch einen Zusammenstoß mit einem Heliumatom angeregt werden.

Hinweise:

  • Das folgende Niveauschema ist stark vereinfacht.
  • Da insgesamt vier Niveaus an der Funktionsweise des He-Ne-Lasers beteiligt sind, spricht man auch von einem Vier-Niveau-Laser.


 

Auf der Seite http://phys.educ.ksu.edu/vqm/html/henelaser.html können Sie mit einer Shockwaveanimation die Energieniveaus des Heliums (links) verschieben. Ebenso können Sie den metastabilen Anregungszustand (drei Striche) und die kurzlebigen Zwischenzustände (sechs Striche) des Neons so simulieren, dass die möglichen induzierten Laserlinien zu sehen sind und Sie diese mit der Realität (actual, output spectrum) vergleichen können.

 

Laden Sie das JAVA-Applet zum Laser und führen Sie folgende Simulationen aus.

1.Teil

Benutzen Sie zunächst den Modus "Einzelatom (Absorption und Emission)" der an der entsprechenden Karteikarte oben eingestellt werden kann und betrachten Sie nur zwei Niveaus (Energy Levels).
  • Variieren Sie die Lebensdauer (Lifetime) des oberen Niveaus 2 am Schieber rechts oben und prüfen in welchem Fall besonders viel stimulierte Emission auftritt (erkennbar an Photonen-Paaren).
  • Haben Sie nach allen Änderungen bei diesem Simulationsprogramm Geduld, es dauert etwas bis sich ein stationärer Zustand einstellt.

2. Teil:

Wählen Sie die Karteikarte "Multiple Atoms (Lasing)" aus.
  • Wichtig ist der Fall mit drei Energieniveaus.
  • Stellen Sie bei "Lamp Control" die Lichtfarbe (unterer Schieber) so ein, dass das Niveau 3 angeregt wird und steigern Sie die Lampenintensität (oberer Schieber).
  • Variieren Sie die Lebensdauern von Niveau 3 und 2 so, dass möglichst viel stimulierte Emission auftritt.
    • Setzen Sie nun an die Ränder des aktiven Mediums Spiegel ("Schalte Spiegel dazu").
    • Stellen Sie die Reflektivität des Spiegel von 100% auf niedrigere Werte, so dass Strahlung aus dem Laser treten kann.
    • Spielen Sie an den verschiedenen Schiebern solange, bis die Ausgangsleistung (Output Power) des Lasers möglichst groß ist.


Schemaskizze des ersten Maiman-Lasers

 

Theodore MAIMAN (1927 - 2007) baute den ersten echten LASER bei der Hughes Aircraft Company in den USA. Es war ein Rubinlaser, welcher rotes Laserlicht abstrahlte. Die verwendeten, zylindrischen Rubinstäbe von einigen Zentimeter Länge können künstlich hergestellt werden. Sie bestehen zu einem sehr hohen Anteil aus Aluminiumoxid Al2O3. Durch eine geringe Beimischung (ca. 0,05%) von Chrom-Ionen (Cr3+) erhält der Stab die typische rubinrote Farbe. Die Chrom-Ionen absorbieren grünes und blaues Licht.

Das sogenannte "optische Pumpen", d.h. die Anregung der Chromatome im Rubinkristall erfolgt durch eine Blitzlampe. Zur besseren Lichtausbeute befinden sich Blitzlampe und der an den Enden verspiegelte Rubinkristall (hellrosa gezeichnet) in einem polierten Aluminiumzylinder.

Der Rubinlaser ist ein sogenannter Drei-Niveau-Laser. Durch optische Anregung von außen (Blitzlampenlicht) wird das Chrom-Ion in kurzlebige Anregungszustände versetzt. Die Chrom-Ionen geben einen Teil ihrer Anregungsenergie durch sogenannte strahlungslose Prozesse an den Rubinkristall ab und erreichen relativ langlebige (metastabile) Zustände der Energie E2. Bei genügend hoher Intensität des Blitzlampenlichts gelingt eine Besetzungsinversion, d.h. mehr Chrom-Ionen sind im Zustand E2 als im Grundzustand der Energie E1 (E2 - E1 = 1,79eV).
Einige Chrom-Ionen geben ihre Anregungsenergie durch spontane Emission eines Photons ab. Ein Teil dieser Photonen veranlasst dann andere angeregte Chrom-Ionen zu stimulierter Emission.
Aufgrund der verspiegelten, parallelen Endflächen des Rubinkristalls kommt es in kürzester Zeit zur Ausbildung einer sehr intensiven stehenden Welle, von der ein Teil der Energie aus dem Resonator ausgekoppelt wird.

Bestimmen Sie die Wellenlänge des Lichts, welches beim Übergang E2 → E1 emittiert wird.

Auf der Seite http://phys.educ.ksu.edu/vqm/html/rubylaser.html können Sie mit einer Shockwaveanimation, das metastabile Energieniveau (drei Striche) und das kurzlebige Ausgangs-Energieniveau (sechs Striche) des Rubinlasers mit Hilfe der linken Maustaste so verschieben, dass die mögliche induzierte Laserlinie zu sehen ist und mit der Realität (actual, output spectrum) verglichen werden kann.

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