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1.: Begriff, Geschichte des Lasers
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· Abkürzung für englisch Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
· ="Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Strahlung"
· Gerät zur Erzeugung sehr intensiver, äußerst stark gerichteter und kohärenter Lichtstrahlen
· sind heute aus vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik nicht mehr wegzudenken
· Schon Einstein erkannte1917, dass Wechselwirkungen zwischen Lichtquanten, deren Energie gleich dem Energieunterschied zwischen zweier Energieniveaus ist und den Hüllenelektronen bestehen können
· Grundlagen des Verfahrens 1950 in den USA von A. L. Schawlow und C. H. Townes entwickelt
· T. H. Maiman 1960 den ersten Festkörper-Rubin-Laser
2.: Aufbau
siehe Folie
3.: Wirkungsweise
· Vorraussetzung für Verstärkung: Ein Medium muss eine größere Menge angeregter Atome als Atome im Grundzustand haben
· Dieser Zustand entspricht nicht der natürlichen Besetzungsverteilung
· Muss also erst noch erzeugt werden
· Vorgang besteht aus drei verschiedenen Wechselwirkungen
1.: Absorption
· Photon eines Lichtblitzes (z.B. Xenon) oder einer Strahlung (UV) mit Energie E=h·f trifft auf ein Atom
· Photon wird von einem Elektron absorbiert, wenn E=Eh-En ,also h·f =ΔE ist
· Übergibt also seine Energie auf ein Elektron
· Elektron wird auf höheres Energieniveau Eh gehoben
· Das Atom ist angeregt
2.: spontane Emission
· Nach einer bestimmten für das Atom charakteristischen Zeit kehrt es spontan in den seinen Grundzustand zurück
· Das Elektron fällt auf niedriges Niveau En
· Freiwerdende Energie (E= Eh-En= h·f) wird in Form eines Lichtquants abgestrahlt
3.: stimulierte oder induzierte Emission
· Ein Photon mit E= h·f trifft auf ein angeregtes Atom
· Es bringt das Atom zum Abstrahlen eines zweiten Photons
· Das Elektron fällt dabei wieder auf das niedrige Energieniveau En zurück
· Es existieren jetzt zwei Photonen mit jeweils gleicher Energie und gleicher Richtung
· Da E= h·f sind auch die Frequenzen der Photonen und ihre Wellenlängen identisch
· Das stimulierende Photon wird verstärkt
· Die Photonen bewegen sich nun weiter durch das Medium
· Kolliedieren mit weiteren Atomen
· Regen diese zur Emission weiterer identischer Photonen an (gleiche Energie,Frequenz, Wellenlänge, Richtung)
· Photonenstrom wird an den Spiegeln reflektiert
· Bewegen sich also immer hin und her
· Dabei werden immer mehr Photonen emittiert
· Die Intensität des Photonenstroms nimmt zu
· Bei einer bestimmten Intensität tritt der Laserstrahl durch den halbversilberten Spiegel und wird sichtbar
· Um eine Verstärkung zu erreichen muss der Prozess der stimulierten Emission überwiegen ( Inversion der natürlichen Besetzungsverteilung)( da dabei zwei Photonen emmitiert werden)
Der Helium-Neon-Laser
· Helium-Neon-Gas-Gemisch ( mit ca. 10% Neon) in einem Glasrohr
· Heliumgas ist ausschließlich für Inversion zuständig
· Für Lasereffekt sind nur Neonatome verantwortlich
· Durch Anlegen einer hohen Spannung im kV-Bereich wird ein Teil der Atome ionisiert
· Elektronen sind jetzt frei und bewegen sich durch das Medium
· Treffen auf nichtionisierte Atome und regen diese an
· Das angeregte 2¹S-Heliumniveau besitzt fast die selbe Energie wie das 3s-Neonniveau
· Angeregte Helium-Atome kollidieren mit Neonatomen
· Übergeben dabei ihre Energie und heben Neon aus Grundzustand in angeregten 3s-Zustand
· Gleiches geschieht zwischen 2³S-Helium und 2s-Neon-Niveau
· Durch diesen Pumpvorgang wird erreicht das sich mehr Neonatome im 3s- als im 2s-Zustand befinden
· Nun können die 3s-Neon-Atome durch induzierte Emission Lichtquanten mit einer Wellenlänge von 633nm aussenden
· In dem so angeregten Helium-Neon-Gemisch können nun Photonen vervielfacht werden
Der Rubin-Laser
· Ein Lichtblitz einer Xenon-Röhre regt die Atome des Rubinkristalls an
· Einige Atome emittieren spontan ein Lichtquant
· Diese sorgt dann in einem anderen Atom für eine induzierte Emission eines Lichtquants
· Die Photonen jagen nun durch den Kristall wobei sie immer wieder auf angeregte Atome treffen und diese zur Emission weiterer Photonen stimulieren
· In beiden Lasern wird der Photonenstrahl durch die Spiegel hin und her geleitet bis seine Intensität groß genug ist um durch den halbdurchlässigen Spiegel zu treten
· Dadurch wird auch die induzierte Emission zum vorrangigen Prozeß da immer mehr Photonen auf dieselbe Anzahl angeregter Atome treffen
· Weitere Arten:
· Laser mit gasförmigem Lasermedium sind die Gas-Laser (z. B. Helium-Neon-Laser), die Ionen-Laser (z. B. Argon-Laser) und die Molekül-Laser (z. B. Kohlendioxid-Laser)
· der Glas-Laser (z. B. Glas-Neodym-Laser) und der Halbleiter-Laser (z. B. GaAs-Laser) zählen neben kristallinen Festkörper-Lasern zu den Festkörper-Lasern
· Laser mit flüssigem Medium sind die chemischen Laser (z. B. Jod-Laser) und die Farbstofflaser
· Einteilung nach Betriebsart:
· Dauerstrich-Laser (z. B. He-Ne-Laser, Impulsdauer > 0,1 s)
· Impuls-Laser (z. B. Rubin-Laser, Impulsdauer zwischen 1 ms und 0,1 s)
· Riesenimpuls-Laser (Impulsdauer zwischen 1 ns bis 1 ms)
4.: Eigenschaften des Laserlichtes
· Extrem einfarbig ( monochromatisch): Linienhalbwertsbreite von 1kHZ ( Neonlinie: 800MHz), d.h. Einzelstrahlen haben sehr geringe Frequenzunterschiede
· Sehr gute zeitliche und räumliche Kohärenz folgt aus der Phasengleichheit der Photonen, synchronisierte Amplituden der Lichtwelle
· lange Kohärenzlängen: Erst nach 300 km beginnt sich die Phasengleichheit zu verringern
· Vollständig linear polarisiert ( Alle Einzelstrahlen eines Laserlichtbündels haben die selbe Richtung)
· Divergiert kaum ( nur um wenige Bogenminuten; breitet sich linear aus; minimale Streuung; Thermisches Licht breitet sich kegelförmig aus)
· Hohe Energieausbeute: 40W-Laser erzeugt soviel Energie wie von einer 40W-Lampe verbraucht wird
· Hohe Energiedichte ( gebündelte Strahlen, bei Lampe Strahlen in alle Richtungen) ( z.B. Industrielaser Energiedichte von über einer Million Watt pro Quadratzentimeter)
· Infolge dieser Eigenschaften sehr intensiv
· Möglichkeit der Übertragung großer Energiemengen
5.: Anwendung
1. Medizin und Biologie
· Für Zellforschung: Lebende Teile einer Zelle lassen sich mit dem gut fokussierbaren Laser beeinflussen
· Physiologie: Zellen können mit Laser abgetötet werden um ihre Bedeutung in einem Organismus zu untersuchen
· Augenmedizin: -Abgelöste Netzhaut kann mit Laserstrahlen wieder angeheftet werden
-Beim kurzsichtigen Auge kann die zu dicke Hornhaut mit einem Excimerlaser abgetragen werden
Excimerlaser 1: Produziert eine einzigartige Form von kaltem Laserlicht
Das im Linsensystem 2 fokussiert wird und eine ringförmige Schablone 3 durchläuft
Dann wird er im Spiegel mit dem Helium-Neon-Laserstrahl vermischt trifft aufs Auge und kann dort einige Schichten entfernen
2. Längenmessung
· Möglich Entfernungen über einige Meter mit ¹/20 Wellenlängen Genauigkeit messbar
· Entfernungen bis 80km können mit aufmodullierten Laserstrahlen auf 20cm genau gemessen werden
· Große Entfernungen können über die Laufzeit des Laserstrahls bestimmt werden ( z.B. Entfernung Erde-Mond, kurzer starker Laserimpuls von Observatorium ausgesandt und von Reflektor auf dem Mond reflektiert)
3. Holographie
· Zur Erzeugung von Hologrammen streng kohärente Lichtquelle nötig (Laser)
· Ausschließlich Laserlicht benutzt
· Siehe Folie
4. Technik
· Hohe Energiedichte: Schmelzschweißen v.a. bei Legierungen mit hoher Schmelztemperatur
· Kleinste Löcher können von Laserstrahlen gebohrt werden
5. Nachrichten- und Informationstechnik
· Aufmodullierte Laserstrahlen können etliche Fernsehprogramme und tausende von Ferngesprächen in einem Glasleiter über viele Kilometer übertragen
· CD-Pits werden von infrarotem Laserlicht erzeugt und gelesen
· Siehe Folie
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