Der Laser. 1.: Begriff, Geschichte des Lasers. 2.: Aufbau siehe Folie. 3.: Wirkungsweise

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Melanie Nele Hase
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1 Der Laser 1. Begriff 2. Aufbau 3. Wirkungsweise 4. Eigenschaften 5. Anwendung 6. Quellen 1.: Begriff, Geschichte des Lasers 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 file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/fa/Laser.html (1 of 5) :36:39

2 Photon wird von einem Elektron absorbiert, wenn E=Eh-En,also h f =ÄE 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 file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/fa/Laser.html (2 of 5) :36:39

3 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) file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/fa/Laser.html (3 of 5) :36:39

4 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 file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/fa/Laser.html (4 of 5) :36:39

5 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 6.: Quellen Faszination Natur und Technik (ADAC Verlag) Metzler Physik ( Schroedel) Bertelsmann Discovery 2000 (Bertelsmann Verlag) file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/REFS/Ready%20to%20do/fa/Laser.html (5 of 5) :36:39

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