32. Lektion. Laser. 40. Röntgenstrahlen und Laser

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1 32. Lektion Laser 40. Röntgenstrahlen und Laser

2 Lernziel: Kohärentes und monochromatisches Licht kann durch stimulierte Emission erzeugt werden

3 Begriffe Begriffe: Kohärente und inkohärente Strahlung Thermische Besetzung und Besetzungsumkehr Stimulierte Emission Spontane Emission Gaslaser Festkörperlaser

4 Wirkungsweise des Lasers Light amplification by stimulated emission of radiation Inkohärente thermische Strahlung von einer Glühbirne Räumlich und zeitlich kohärente und monochromatische Strahlung Wirkungsweise des Lasers

5 Drei Arten der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Atomen E 2 E 1 hν Absorption Stimulierte Emission Spontane Emission hν hν hν hν Drei Arten der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung...

6 Thermische Besetzung von Energieniveaus T = 0 E 3 E 2 E 1 T > 0 E 3 E 2 E 1 T = E 3 E 2 E 1 Thermische Besetzung von Energieniveaus

7 Besetzungsumkehr oder Inversion Dieser Zustand ist thermisch nicht realisierbar: E 3 E 2 E 1...aber Physiker kennen kein Hindernis... Besetzungsumkehr oder Inversion

8 1. Optisches Pumpen vom Grundniveau zum zweiten angeregten Niveau. 2. angeregtes Niveau E 3 E 2 Grundniveau E 1 2. Besetzungsumkehr durch schnelle spontane Emission des oberen Niveaus auf ein metastabiles Zwischenniveau E 2. Das Niveau E 2 lebt ca s oder länger, bis es spontan in den Grundzustand zerfällt. E 3 E 2 E 1

9 3. Resonante, stimulierte Emission zwischen dem ersten angeregten Niveau und dem Grundniveau, d.h. es wird nicht gewartet, bis Niveau E 2 spontan zerfällt, sondern ein Photon der gleichen Frequenz E = E 2 -E 1 = hν beschleunigt den Zerfall und vermehrt die Zahl der Photonen mit der gleichen Frequenz. E 3 E 2 E 1 Optische Pumpen...

10 Optischer Resonator zur Erzeugung von Laserstrahlen Spiegel Spiegel mit geringer Transmission Laserstrahl Optische Pumpe Optisch aktives Medium Optischer Resonator zur Erzeugung von Laserstrahlen

11 Quiz: Quiz Das kohärente Licht von Lasern ist charakterisiert durch die folgenden Eigenschaften: A B C D E Monochromatisches Licht Phasenkohärentes Licht Polychromatisches weißes Licht Parallel gebündeltes Licht Späherische Welle mit 4π Verteilung Welche Aussagen treffen nicht zu: A und B B, C und E C und E C, D und E Antwort C und E treffen nicht zu!

12 Laserarten Gas-Laser: HeNe Laser, CO 2 -Laser Dye-Laser oder Farbstofflaser: Farbstoffe in Wasser oder Alkohol Festkörperlaser: YAG-Laser, Rubin-Laser, Halbleiter-Laser Freier Elektronen Laser

13 Laserarten Laser Aktives Medium Wellenlänge Gas-HeNe Ne nm Fest-Rubin Cr 691 nm Fest-YAG Nd 1.06 µm Fest-Saphir Ti µm CO 2 -Gas Nd 10 µm Al x Ga 1-x As - Halbleiter µm GaN- Halbleiter µm Grüner Laser 532 nm Wasser, Alkohol Farbstoffe nm

14 He-Ne Laser Energieschema:

15 YAG-Laser Energieschema:

16 Farbstoff- Energieschema: Laser

17 Prinzip des Dioden Lasers Laser Diode GaN blauer Laser

18 Free electron laser (FEL) Der FEL beruht auf Beschleuniger Technik und Ablenkung von Elektronen im Magnetfeld. Er ist frei von metastabilen Zuständen in Atomen oder Molekülen und kann daher beliebig durchgestimmt werden. Für spektroskopische Untersuchungen ist er die ideale Lösung.

19 Anwendungen I: Schichtherstellung durch Laser-Ablation

20 Anwendungen II: Kernfusion durch Laser- Kompresion

21 Laser Einsatz bei Augenoperation zur Behandlung von Tumoren oder Netzhautablösungen Laserstrahl entfernt Bindegewebe mit minimaler Erhitzung der Umgebung. Mit fokussiertem Laserstrahl können Tumoren auf der Retina entfernt werden; losgelöste Retina kann wieder angeschweißt werden, etc. Laser-Einsatz bei Augenoperation...

22 Laser-Dioden in der Unterhaltungselektronik und und in der Informationstechnologie Laser-Diode in der Unterhaltungselektronik...

23 Zusammenfassung: Das Laser-Prinzip beruht auf der Inversion der thermischen Besetzung von Energieniveaus. Das Laserprinzip läuft in drei Stufen ab: 1. Optisches Pumpen, 2. Besetzungsumkehr, 3. Stimulierte Emission Laser liefern kohärente und monochromatische Strahlung Nur spezielle Farbstofflaser können durchgestimmt werden Zusammenfassung

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