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Laser: Aufbau und stimulierte Emission
Ein Laser verstärkt Licht durch stimulierte Emission. Eine Pumpe erzeugt im Lasermedium eine Besetzungsinversion, Spiegel führen passende Lichtwellen mehrfach durch das Medium, und ein teildurchlässiger Spiegel gibt den Laserstrahl frei.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Drei Arten der Atom-Photon-Wechselwirkung
Atome und Moleküle können nur bestimmte Energien besitzen. Der Grundzustand ist ein energiearmer Zustand. Nach einer Energiezufuhr befindet sich ein Teilchen in einem angeregten Zustand.
Absorption
Bei der Absorption nimmt ein Teilchen in einem unteren Energiezustand ein Photon passender Energie auf. Das Photon verschwindet, und das Teilchen gelangt in einen höheren Energiezustand.
Spontane Emission
Ein angeregtes Teilchen fällt ohne einfallendes Photon in einen niedrigeren Energiezustand. Dabei entsteht ein Photon. Zeitpunkt und Abstrahlrichtung sind nicht vorhersagbar.
Stimulierte Emission
Ein Photon passender Energie trifft auf ein angeregtes Teilchen und löst dessen Übergang in einen niedrigeren Zustand aus. Dabei entsteht ein zweites Photon mit gleicher Energie, Frequenz, Phase, Ausbreitungsrichtung und Polarisation.
Die stimulierte Emission liefert also eine zum einfallenden Licht passende „Kopie“. Genau dadurch kann Licht verstärkt werden.
Energie, Frequenz und Wellenlänge gehören zusammen
Bei einem Übergang zwischen zwei Energieniveaus ist die Energiedifferenz entscheidend:
$$\Delta E = E_2-E_1 = h f$$
Dabei ist $h$ das Plancksche Wirkungsquantum und $f$ die Frequenz des Photons. Außerdem gilt für Licht im Vakuum:
$$c = \lambda f$$
$c$ ist die Lichtgeschwindigkeit und $\lambda$ die Wellenlänge. Deshalb gilt:
- größere Energiedifferenz → größere Frequenz;
- größere Frequenz → kleinere Wellenlänge;
- kleinere Energiedifferenz → kleinere Frequenz und größere Wellenlänge.
Ein Helium-Neon-Laser kann rotes Licht mit der Wellenlänge $\lambda=632{,}8\,\mathrm{nm}$ erzeugen.
Zuerst wird die Wellenlänge in Meter umgerechnet:
$$632{,}8\,\mathrm{nm}=6{,}328\cdot10^{-7}\,\mathrm{m}$$
Mit $f=c/\lambda$ folgt:
$$f=\frac{299\,792\,458\,\mathrm{m/s}}{6{,}328\cdot10^{-7}\,\mathrm{m}}\approx4{,}74\cdot10^{14}\,\mathrm{s^{-1}}$$
Mit $E=hf$ und $h=6{,}626\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\,s}$ ergibt sich:
$$E\approx3{,}14\cdot10^{-19}\,\mathrm{J}$$
Die Einheiten passen: Bei $c/\lambda$ kürzt sich Meter heraus, sodass $\mathrm{s^{-1}}$ bleibt. Bei $hf$ bleibt Joule als Energieeinheit.
Warum eine Besetzungsinversion nötig ist
In einem gewöhnlichen Medium befinden sich mehr Teilchen im unteren als im oberen Zustand. Dann werden viele Photonen absorbiert. Eine dauerhafte Lichtverstärkung ist so nicht möglich.
Besetzungsinversion
Bei einer Besetzungsinversion befinden sich mehr Teilchen im oberen als im unteren Zustand des verwendeten Laserübergangs. Dadurch kann stimulierte Emission die Absorption überwiegen.
Eine Pumpe führt dem Medium Energie zu. Das kann beispielsweise durch Licht oder eine elektrische Gasentladung geschehen. Geeignete Lasermedien besitzen mindestens drei Energieniveaus.
Ein wichtiges Zwischenniveau ist metastabil: Die Teilchen bleiben dort vergleichsweise lange. So können sich genügend angeregte Teilchen ansammeln. Ein reines Zwei-Niveau-System kann keine dauerhafte Besetzungsinversion erzeugen, weil Absorption und stimulierte Emission einander entgegenwirken.
Viele angeregte Teilchen allein reichen nicht. Für den Laserübergang muss der obere Zustand stärker besetzt sein als der untere.
So arbeiten die Bauteile zusammen
Jeder Laser benötigt drei funktionale Bestandteile:
| Bestandteil | Aufgabe |
|---|---|
| Pumpe | Führt Energie zu und ermöglicht die Besetzungsinversion. |
| Lasermedium | Enthält die Teilchen, an denen stimulierte Emission stattfindet. |
| Resonator | Führt geeignetes Licht mithilfe zweier Spiegel wiederholt durch das Medium. |
Der Ablauf lässt sich in fünf Schritten verfolgen:
- Die Pumpe regt Teilchen im Lasermedium an.
- In geeigneten Energieniveaus entsteht eine Besetzungsinversion.
- Ein Photon passender Energie löst stimulierte Emission aus.
- Die Spiegel führen das Licht mehrfach durch das Medium. Weitere gleichartige Photonen entstehen.
- Ein teildurchlässiger Spiegel lässt einen Teil des verstärkten Lichts als Laserstrahl austreten.
Nur Wellen, die zum Resonator passen, werden bei den Umläufen besonders verstärkt. Für eine stehende Welle der Wellenlänge $\lambda$ muss die Resonatorlänge $L$ die Bedingung
$$L=q\frac{\lambda}{2}\quad\text{mit}\quad q=1,2,3,\ldots$$
erfüllen. Die zulässigen Schwingungsformen heißen Moden.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Die führt Energie zu. Dadurch kann eine entstehen. Im Resonator vermehrt die passende Photonen. Durch den tritt der nutzbare Strahl aus.
Eigenschaften, Anwendungen und Sicherheit
Laserlicht lässt sich häufig stark bündeln, besitzt eine geringe Divergenz und kann über längere Strecken eine feste Phasenbeziehung behalten. Diese Eigenschaft heißt Kohärenz. Im Fokus sind hohe Leistungsdichten möglich.
Diese Aussagen sind keine absoluten Regeln:
- Reale Laser können mehrere Moden und damit mehrere nahe Frequenzen besitzen.
- Ihre spektrale Bandbreite ist endlich.
- Ein Laserstrahl ist nicht vollkommen parallel, sondern weitet sich durch Beugung auf.
- Die genauen Eigenschaften hängen von Medium, Resonator und weiteren Bauteilen ab.
Die Bündelbarkeit macht Laser unter anderem für Datenübertragung, Messtechnik, Medizin und Materialbearbeitung nützlich. Bei der Materialbearbeitung absorbiert ein Werkstück die fokussierte Strahlung. Es erwärmt sich und kann je nach Energieeintrag markiert, graviert, abgetragen oder geschnitten werden.
Sicherheitsregel: Blicke niemals in einen Laserstrahl und richte ihn niemals auf Menschen oder Tiere. Bereits Laserleistungen im Milliwattbereich können das Auge schädigen, weil die Augenlinse den Strahl auf die Netzhaut fokussiert. Auch reflektiertes Licht kann gefährlich sein.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Laserprinzip
- Atom-Photon-Prozesse
- Absorption: Photon wird aufgenommen
- spontane Emission: zufällige Aussendung
- stimulierte Emission: passendes Photon wird vervielfältigt
- Voraussetzungen
- Pumpe liefert Energie
- metastabiler Zustand sammelt Teilchen
- Besetzungsinversion ermöglicht Nettoverstärkung
- Resonator
- Spiegel sorgen für Rückkopplung
- passende Moden werden verstärkt
- teildurchlässiger Spiegel koppelt den Strahl aus
- Strahl
- häufig gut bündelbar und kohärent
- reale Bandbreite und Divergenz bleiben endlich
- direkte und reflektierte Strahlung kann gefährlich sein
- Atom-Photon-Prozesse
Abschluss-Check
Du kannst das Laserprinzip erklären, wenn du die vollständige Wirkungskette begründen kannst: Energie zuführen, Besetzungsinversion aufbauen, passende Photonen stimuliert vervielfältigen, im Resonator rückkoppeln und einen Teil des Lichts auskoppeln.