Didaktische FWU-DVD. Der Laser Werkzeug Licht

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Der Laser Werkzeug Licht

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Hauptmenü führt zurück zum Hauptmenü. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler kennen das Verhalten von Atomen bei der Aufnahme von Energie; kennen das Verhalten der Atome bei der Abgabe von Strahlungsenergie; kennen den Unterschied zwischen erlaubten Übergängen und verbotenen Übergängen; kennen spontane und stimulierte Emission; kennen die grundlegenden Verfahren zur Erzeugung von Laserlicht: Pumpen zur Erzeugung der Besetzungsinversion und stimulierte Emission zum Abregen der Zustände; kennen die besonderen Eigenschaften des Laserlichtes; kennen die am weitesten verbreiteten Laserarten; kennen verschiedene Anwendungsgebiete von Lasern. erkennen, dass die Lebensdauer eines Zustandes für den Laserübergang wichtig ist; erkennen, dass die Besetzungs - in version eine Kernvoraussetzung für einen Laserübergang ist; erkennen, dass das Laserlicht aufgrund seiner Entstehung besondere Eigenschaften hat; können die Aufnahme und Abgabe von Energie durch eine Atomhülle beschreiben; können verschiedene Arten von Lasern beschreiben; können die Effekte von Laserlicht und damit die Anwendungsgebiete beschreiben. erkennen, dass man einen langlebigen Zustand benötigt, um einen Lasereffekt zu erreichen; erkennen das Gefahrenpotenzial von Lasern, aber auch deren sinnvolle Einsatzmöglichkeiten. 2

3 Zum Inhalt Laser Werkzeug aus Licht (Film 23 min) Der Film beginnt mit einer Einführung über Laser und ihre vielseitige Verwendung in der Industrie, im Alltag, der Medizin und der Unterhaltungsbranche. Hier finden Scannerkassen ebenso eine Erwähnung wie DVDs, Glasfaserkabel und Laserpointer. Die Vielfalt der Einsatzgebiete führt zu der Frage, was an Laserlicht eigentlich die Besonderheit ist. Nun werden die Eigenschaften genauer betrachtet: Monochromie im Vergleich zum weißen Licht eines Wärmestrahlers, starke Bündelung im Vergleich zur isotropen Abstrahlung und Kohärenz. Bei der Betrachtung der Kohärenz wird kurz gezeigt, wie damit das Phänomen der Interferenz für Messungen eingesetzt werden kann. Die verschiedenen Eigenschaften des Laserlichtes haben ihre Ursache im Entstehungsprozess, der in der Folge genauer untersucht wird. Zunächst werden Atome und der Aufbau der Elektronenhülle beschrieben. Die Quantenhaftigkeit der Übergänge und die Lebensdauer einzelner Zustände werden betrachtet 3

4 und so werden die für einen Laserübergang nötigen Bedingungen und Prozesse allmählich erläutert: Die Erzeugung einer Besetzungsinversion in den Niveaus des Laserübergangs durch Pumpen und der Abruf der Laserphotonen durch stimulierte Emission. Dabei wird auch darauf eingegangen, welche Gesichtspunkte der Entstehung des Laserlichtes für seine besonderen Eigenschaften verantwortlich sind. Da alle Atome und Moleküle Licht abgeben können und die Spektren individuell verschieden sind, ist es eine Frage der Forschung und der technischen Umsetzung, welche Substanzmischungen sich dazu eignen, zur Abgabe von Laserlicht stimuliert zu werden. Daraus resultiert eine Fülle verschiedenster Laserarten. Der Film liefert hier eine Unterscheidung der Laserarten nach dem Aggregatzustand ihres aktiven Mediums und vertieft exemplarisch einige der am weitesten verbreiteten Laserarten. Zuletzt werden Anwendungsgebiete der Laser vorgestellt, von Schweißund Schneidetechniken in der Industrie über medizinische Anwendungen bis hin zu dem Einsatz von Lasern bei der Datenhaltung in DVDs und Blu-Ray-Discs und bei der Datenübertragung im Glasfaserkabel. Dieser Abschnitt schließt mit einem Hinweis auf das Gefahrensymbol und allgemein die Gefährlichkeit von Lasern, wobei versucht wurde, den Schülerinnen und Schülern genug Information zu vermitteln, um die Gefahren einschätzen zu können. 4

5 Menü Laser Werkzeug aus Licht (Filmsequenzen) Ein vielseitiges Werkzeug (Filmsequenz 1:10 min) Die Verwendung von Lasern im Alltag, im DVD-Player, an Scannerkassen und als Laserpointer eröffnet diese Sequenz. Es folgen kurze Ausschnitte zu industriellen und medizinischen Anwendungen und bei der Datenübertragung. Diese Vielfalt der Anwendungen auf unterschiedlichsten Gebieten führt zwangsläufig zu der Frage, was das Laserlicht so besonders macht. während eine Glühbirne ohne Reflektor in alle Raumrichtungen gleichmäßig abstrahlt, weshalb die Reichweite, in der eine Glühbirne noch sinnvoll ausleuchtet, recht gering ist. Zuletzt wird die große Kohärenzlänge vieler Laserarten angesprochen. Anhand einfacher Skizzen wird das Phänomen der Interferenz betrachtet und die Anwendungen von Interferenzerscheinungen mittels Lasern in der Messtechnik werden aufgeführt. Eigenschaften von Laserlicht (Filmsequenz 3.00 min) Hier werden die besonderen Eigenschaften des Laserlichtes genauer betrachtet und es wird darauf eingegangen, wie die jeweiligen Eigenschaften die Anwendung beeinflussen. Als Vergleichsobjekt dient eine Glühbirne, also ein reiner Wärmestrahler. Beide geben elektromagnetische Strahlung ab. Nun wird zunächst der Unterschied zwischen weißem Licht als Mischung verschiedener Spektralfarben und dem monochromatischen Laserlicht betrachtet. Als nächster Unterschied wird herausgestellt, dass das Laserlicht als gerichteter Strahl abgegeben wird, Wie funktioniert ein Laser? (Filmsequenz 6:10 min) Hier wird auf die Entstehung von Laserlicht eingegangen. Dazu wird zunächst der Aufbau eines Atoms aus Kern und Hülle sowie die Entstehung von Spektrallinien beschrieben. Die spontane Emission als der häufigste Prozess, bei dem Atome Licht emittieren, wird vorgestellt. Die Lebensdauer angeregter Zustände, insbesondere die hohe Lebensdauer von metastabilen Zuständen, deren Abregung nur über verbotene 5

6 Übergänge möglich ist, führt zu der Möglichkeit des Baus eines Lasers. Die zweite Voraussetzung, die stimulierte Emission, wird als Nächstes untersucht. Dabei wird auch festgehalten, dass die feste Phasenbeziehung der einzelnen Photonen zueinander, die Kohärenz, ihre Ursache darin hat, dass sie über stimulierte Emission entsteht. Nachdem die atomphysikalischen Grundlagen bereitgestellt sind, folgt die Beschreibung der prinzipiellen Funktionsweise von Lasern. Anschließend werden Pulslaser erwähnt und die Möglichkeiten zur weiteren Beeinflussung von Laserlicht, durch Reflexion an Spiegeln, Strahlteilung an halbdurchlässigen Spiegeln und Bündelung durch Linsen werden genannt. Lasertypen (Filmsequenz 6:20 min) Die Vielfalt der verfügbaren Laserarten wird nach dem Aggregatzustand des laseraktiven Mediums aufgeteilt. Als erste Gruppe werden Festkörperlaser genannt, nicht zuletzt, weil der erste Laser, der 1960 erfunden wurde, der Rubinlaser, ein Festkörperlaser war. Die Eigenschaften und viele Anwendungsgebiete werden genannt. Als Sonderfall wird der Faserlaser, eine Lichtleitfaser, in der das Laserlicht entsteht und nicht nur weitergeleitet wird, vorgestellt. Die nächste Lasergruppe sind Gaslaser. Genannt werden der HeNe-Laser, der Kohlendioxidlaser sowie die Excimerlaser. Farbstofflaser als einzige Flüssigkeitslaser werden nun vorgestellt und die besondere Eigenschaft der Durchstimmbarkeit genannt. Zuletzt werden Laserdioden erwähnt und der Laserübergang an der Grenzschicht zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien der Diode wird genauer betrachtet. Anwendungsgebiete von Lasern (Filmsequenz 6:00 min) Im Folgenden werden mehrere Anwendungen von Lasern genauer betrachtet. Dabei wurde der Schwerpunkt auf Beispiele aus der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler gelegt. Daher beginnt diese Sequenz mit einer genaueren Betrachtung der Funktionsweise des Auslesens von Daten einer DVD. Es folgt eine Beschreibung der Datenübertragung mittels Glasfaserkabel, wie sie immer mehr zur Bereitstellung von schnellem Internet verwendet wird. Anschließend wird auf industrielle Anwendungen eingegangen. Dabei wird auch gezeigt, wie der Einsatz von Lasern Fertigungstechniken ermöglicht, die ohne die besonderen Eigenschaften des La- 6

7 serlichtes gar nicht möglich wären. Stellvertretend für viele medizinische Anwendungen wird das LASIK-Verfahren zur Korrektur von Fehlsichtigkeit genauer betrachtet. Zuletzt wird laserbasiertes Fernlicht an modernen Autos vorgestellt, das eine größere Reichweite als konventionelle Lichtquellen bietet. Die Sequenz endet mit einem Hinweis auf die Gefahren von Lasern mit Erwähnung der Gefahrenklassen. Wechselwirkung eines Photons mit zwei Energieniveaus eines Atoms (Grafik) Diese Grafik zeigt die Wechselwirkung eines Photons (hf) mit zwei Energieniveaus eines Atoms. Stimulierte Emission in einem Laser (Grafik) Wenn die Aussendung (Emission) eines Photons nicht spontan erfolgt, sondern durch ein anderes Photon ausgelöst wird, nennt man sie stimulierte Emission oder induzierte Emission. Die Grafik zeigt das Energieniveauschema eines Lasers. Der dritte eingezeichnete Übergang von E M nach E L findet unter stimulierter Emission statt. Schema eines Laserresonators (Grafik) In einem Laser wird die Strahlung, die anfänglich durch spontane Emission initiiert wurde, durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet geleitet, in dem Besetzungsinversion herrscht. Eine solche Anordnung heißt optischer Resonator oder Laserresonator. Dessen Funktionsweise kann mit dieser Grafik erarbeitet werden. Kohärenz (Grafik) Mit dieser Grafik lassen sich die verschiedenen Arten der Kohärenz erarbeiten. Die Wellen links oben sind zeitlich und räumlich inkohärent. Rechts oben sind sie zeitlich inkohärent aber räumlich kohärent. Links unten kann man monochromatische Wellen beobachten, alle haben dieselbe Wellenlänge. Räumlich sind die Wellen jedoch inkohärent. Rechts unten sind die Wellen sind und zeitlich kohärent. 7

8 Didaktische Hinweise Der Film kann im Fach Physik eingesetzt werden, wenn die Physik der Atomhülle besprochen wird. Die Entstehung des Laserlichtes ergibt sich direkt aus der Struktur der Atomhülle, sodass der Laser als ein Anwendungsbeispiel dienen kann. Ebenso lässt sich durch die Betrachtung des Lasers und seiner Einsatzgebiete sehr eindrucksvoll demonstrieren, dass es sich bei Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung um eine Energieform handelt, die in gebündelter Form die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten erlaubt. Auch Experimente zur Beugung am Spalt oder zu Doppelspalten und Gittern, bei denen ein Laser erstmals zur Anwendung kommt, können Anlass sein, das Laserlicht und seine Entstehung sowie die besonderen Eigenschaften etwas genauer zu betrachten, um zu begründen, warum diese Experimente mit einem Laser anders verlaufen als mit einer herkömmlichen Lichtquelle. In der Sekundarstufe II kann die Betrachtung des Lasers ein Anwendungsgebiet sein, in dem die quantenhafte Natur der Energie übergänge im Atom detaillierter betrachtet wird. Sequenzen können gezielt andere Unterrichtseinheiten vertiefen. Ist die Festkörperphysik Lehrplanbestandteil und wird die Diode als Beispiel betrachtet, so kann die Laserdiode als vielseitige Anwendung thematisiert werden. Wenn in einem Fach, z. B. Informatik, schnelles Internet oder Glasfasertechnologie oder Datenträger wie DVD angesprochen werden, kann die technische Seite durch Ausschnitte aus dieser Produktion vertieft werden. Arbeitsblätter, Infotexte und Grafiken ergänzen die Produktion, sodass eine Auseinandersetzung mit dem Werkzeug Laser anhand dieser Produktion auf vielfältige Weise möglich ist. So kann auch im Zuge der Binnendifferenzierung starken Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit gegeben werden, sich mithilfe dieser Produktion selbstständig in das Thema einzuarbeiten, um es dann beispielsweise im Rahmen einer Lernendurch-Lehren-Unterrichtseinheit den Mitschülerinnen und Mitschülern vorzustellen. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Infotexte Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Zahlen zum Laser 2) Pulslaser 3) Lunar Laser Ranging 4) Entstehung von Laserlicht 5) Anwendung von Laserlicht 6) Knobelspaß rund um den Laser Laserklassen Laserschutz Wechselwirkung eines Photons mit zwei Energieniveaus eines Atoms Stimulierte Emission in einem Laser Schema eines Laserresonators Kohärenz Filmtext als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Der Laser Werkzeug Licht Programmstruktur Der Laser Werkzeug Licht Programmstruktur Hauptmenü Untermenü Der Laser Werkzeug Licht Laser Werkzeug aus Licht Laser Werkzeug aus Licht 23 min Ein vielseitiges Werkzeug 1:10 min Laser Werkzeug aus Licht Sequenzen Eigenschaften von Laserlicht 3:00 min Wechselwirkung eines Photons mit zwei Energieniveaus eines Atoms Grafik Stimulierte Emission in einem Laser Grafik Schema eines Laserresonators Grafik Wie funktioniert ein Laser? 6:10 min Lasertypen 6:20 min Anwendungsgebiete von Lasern 6:00 min Kohärenz Grafik Arbeitsmaterial Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 6 Arbeitsblätter 4 Grafiken Filmtext 2 Infotexte Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben Der Laser Werkzeug Licht (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2015 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design Dicentia Germany GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015 Coverbild milos-kreckovic / thinkstock.com Grafiken FWU Institut für Film und Bild Sgbeer Wikicommons Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Laser Werkzeug aus Licht Produktion MMCD NEW MEDIA GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015 Buch Nadja Podbregar Harald Frater Computeranimation, Schnitt Harald Frater Sprecher Markus Kästle Fachberatung Dr. Sylvia Becker Redaktion Dr. Maike Schuchmann Wir bedanken und bei allen Beteiligten für die freundliche Unterstützung, besonders bei der LPS-Lasersysteme TRUMPF GmbH & Co. KG ACSYS Lasertechnik GmbH Fraunhofer-Institut für Lasertechnik BMW Group SCHWIND eye-tech-solutions GmbH & Co. KG Prof. Dr. Wolfgang Scheubel, Hochschule Düsseldorf Prof. Dr. Michael Schmitt, Universität Düsseldorf clipdealer.de Fotolia.de thopter Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2015 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Der Laser Werkzeug Licht Laserstrahlen finden überall dort Anwendung, wo man einen starken, gebündelten, geraden und extrem fokussierten Lichtstrahl benötigt. Sei es im CD-Player, an der Supermarktkasse oder auch in der Medizin. Die Produktion befasst sich mit dem Aufbau und den Eigenschaften von Laserstrahlen und stellt verschiedene Anwendungsbeispiele in Alltag und Technik vor. Im Arbeitsmaterial stehen Arbeitsblätter, Grafiken, Infotexte und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2015 Laufzeit: 23 min Film: 1 Filmsequenzen: 5 Grafiken: 4 Sprache: DVD-ROM-Teil: Arbeitsblätter: Adressaten: Deutsch Unterrichtsmaterialien 6 (mit Lösungen) Allgemeinbildende Schule (Klasse 9-12) Schlagwörter: Anregung; Atom; Besetzungsinversion; Blu-ray; Diode; DVD; Elektrodynamik; Elektromagnetismus; Elektron; Emission; Energiezustand; Excimerlaser; Faserlaser; Festkörperlaser; Gaslaser; Gefahrenklasse; Glasfaser; Halbleiter; Industrie; Interferenz; Kern; Kohärenz; LASIK; Licht; Lichtfaser; Medizin; metastabil; Phase; Photon; Prisma; Pulslaser; Pumpen; Schutzmaßnahme; Spektrum; spontane Emission; stimulierte Emission; Strahlung; Technologie; Verstärkung; Wellen; Wellenlänge Systematik: Physik Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG Atomphysik Atombau, Spektren Technische Anwendungen Optik Wellenoptik Elektrizitätslehre Elektrodynamik Elektrizitätslehre Technische Anwendungen Klassische Mechanik Schwingungen, Wellen Festkörperphysik Technologie GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de