Funktionsweise des RUBIN - LASER. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. von Katja Wollny und Nicole Hüser

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1 Funktionsweise des RUBIN - LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation von Katja Wollny und Nicole Hüser

2 Inhaltsverzeichnis - Entstehung - Das Experiment - Laser - Übersicht - Festkörper Laser - Schematische Darstellung des Rubin - Lasers - Eigenschaften des Laserlichts - Künstliche Erzeugung des Rubin - Kristalls - Funktionsweise - Anwendungen - Jüngste Entwicklungen - Quellennachweis

3 Entstehung - schon Albert Einstein lieferte 1917 die theoretischen Grundlagen wusste aber noch nicht um die Bedeutung - erst zwei Amerikaner und zwei Russen entwickelten genauere Theorien, konnten diese jedoch nicht in die Praxis umsetzen : die entgültige Geburt des Lasers, ein ganz kleines, fast unscheinbares Experiment von Theodore Maiman brachte den Durchbruch - den Nobelpreis erhielten allerdings die vier Physiker, die den Laser voraussagten aber nicht produzieren konnten

4 Das Experiment Er nahm einen Würfel aus Rubin, brachte diesen in eine Blitzlichtlampe und blitzte diesen kontinuierlich an. Der Würfel begann nach einer Weile zu strahlen. Das rote Licht, das der Würfel aussendete war einfarbig und gut gebündelt. Es enthielt also nicht wie das Sonnenlicht oder eine Glühbirne alle Farben und breitete sich auch nicht trichterförmig aus. In weiteren Experimenten erwies sich ein stabförmiger Rubin als günstiger, bei der Stabform ist es bis heute geblieben.

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6 Festkörper Laser - aktives Medium: Kristall- oder Glasstäbe Kristalle: Oxide oder Fluoride (z.b. Korrund (Al 2 O 3 ) im Rubinlaser) Gläser: Phosphate und Silikate dotiert mit optisch wirksamen Ionen: Übergangsmetalle: Cr (im Rubinlaser), Ni, Co seltene Erden (Lanthanoide): Nd (Neodym), Er (Erbium), Ho (Holmium) Dichte der laseraktiven Teilchen: /cm 3 (höher als bei Gaslasern: ) Das Wirtsmaterial muss gute optische, mechanische und thermische Eigenschaften besitzen

7 Festkörper Laser - die Elektronenübergänge finden in den inneren ungefüllten Schalen statt - die Anregung der Elektronen erfolgt durch optisches Pumpen (Lampen, Halbleiterdioden, andere Laser) - in den Festkörper Lasern lassen sich große optische Energien speichern und hohe Leistungen extrahieren

8 Schematische Darstellung des Rubin - Lasers - Lichtstrahlen werden an den Spiegeln zurückgelenkt und verstärkt, bzw. verstärken die Erzeugung neuer Lichtwellen - dabei werden die Wellen zwischen den Spiegeln immer dichter und treten an der halbverspiegelten Seite aus - der Strahl, der rechts herauskommt ist fast parallel, weil sich nur solche Wellen verstärken können, die zwischen den Spiegeln hin- und hergeworfen wurden

9 Eigenschaften des Laserlichts - das Geheimnis des Laserlichts ist die Lichtverstärkung durch erzwungene Aussendung von Strahlen - das Licht ist: extrem intensiv einfarbig scharf gebündelt

10 Künstliche Erzeugung des Rubin - Kristalls - in einem Behälter (1) wird Al 2 O 3 mit einer Spur Cr 2 O 3, das das Pulver rot färbt gemischt - dieses Gemisch rieselt in den Ofen (2) und wird wegen der hohen Schmelztemperatur von Chrom bei 2200 C geschmolzen - die Schmelze sammelt sich auf dem Rubinsplitter (3) - die Plattform mit dem anfänglichen Rubinsplitter wird langsam hinunter bewegt, so dass dieser wachsen kann

11 Funktionsweise - die Laserübergänge finden in den Elektronenschalen der Cr 3+ -Ionen statt Energie [10 3 cm -1 ] F 1 4 F 2 Blaues Band Gr nes Band Absorption 2 E Fluoreszenz R A 2 E 2A R 1 Laser bergang 29 cm -1 - durch Pumplicht im blauen und grünen Spektralbereich erfolgt die Anregung der Cr 3+ aus dem Grundzustand in die breiten Energiebänder - die Lebensdauer der F-Zustände ist aber sehr kurz und die Elektronen wechseln auf das metastabile E- Niveau (Relaxation) - auf dem E-Niveau reichern sich die Elektronen an und bauen so eine Besetzungsinversion auf - durch die Inversion kommt es dannn zum Laserübergang vom E-Niveau ins Ausgangsniveau

12 Funktionsweise - der Rubin Laser ist ein Dreiniveau Laser - Nachteil: es müssen etwa 50% der Atome angeregt werden, damit es zu einer Überbesetzung und Lichtverstärkung kommt es ist eine höhere Pumpenergie zum Erreichen der Laserschwelle notwendig - bei Zimmertemperatur sendet der Laser Licht der Wellenlänge 694,3nm aus - bei Abkühlung auf 77K (mit flüssigem Stickstoff) verschiebt sich die Wellenlänge auf 693,4nm

13 Anwendungen - in der Industrie: - präzises erhitzen, schmelzen und verdampfen - Löcher in Diamanten bohren - Wärmebehandlung von Halbleiterchips - Zuschneiden von Modeschnittmustern - synthetische Herstellung neuartiger Materalien - Ingangsetzung kontrollierte Kernfusion - in der Wissenschaft: - genaue Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit - gezielte Ingangsetzung von chemischen Reaktionen - Auffinden von Spurenelementen in Analysenproben

14 Anwendungen -in der Kommunikation: - Übertragung von Fernsehprogrammen (im Weltall) - Hologrammtechnik - in der Medizin: - chirurgische Eingriffe - in der Militärtechnologie: - Laserleitsysteme - Herstellung von Nuklearwaffen durch Farbstofflaser

15 Jüngste Entwicklungen - Atomlaser: - der Laser arbeitet anstelle von Licht (Photonen) mit Atomen - man erwartet, dass sich die Materialwellen analog den Lichtwellen bündeln lassen - als Atomquelle dient ein sogenanntes Bose Einstein Kondensat, ein Gas aus z.b. Rubidiumatomen, das mit Hilfe von Tiefsttemperaturtechnik auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt liegt die Atome verlieren ihre Identität und werden eine Einheit - mögliche Anwendung: durch Ablegen einzelner Atome können feinste Nanostrukturen auf Trägeroberflächen erzeugt werden neuartige Halbleiterbauelemente

16 Quellennachweis - Laser Hans K. Koebner; Elektor Verlag - Einführung in die Laserphysik Wulfhard Lange; Wiss. Buchges. - Laser Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler; Springer Verlag - Laser das andere Licht Angelika Anders-von Ahlften, Hans-Jürgen Altheide; Georg Thieme Verlag - Lasertechnik Witlof Brunner, Klaus Junge; Hüthig Verlag - CD Römpp Chemie Lexikon Version 1.0 Danksagung: Damian für die Benutzung seines Scanners