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Laser

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Laser
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Laser

In diesem Video wird der Laser näher unter die Lupe genommen. Du erfährst, wie er aufgebaut ist und wie er funktioniert. Zunächst wiederholen wir noch einmal die Grundlagen der spontanen und der stimulierten Emission. Mit diesem Wissen bewaffnet wenden wir uns dem Laser zu. Du lernst am Beispiel des Rubinlasers, wie mit Hilfe der stimulierten Emission Laserlicht erzeugt wird. Dabei wird auf das Problem der Besetzungsinversion und die typischen Eigenschaften des Laserlichts eingegangen.

Transkript Laser

Hallo und herzlich willkommen bei Physik mit Kalle! Wir wollen uns heute aus dem Gebiet "Schwingungen und Wellen" mit dem Laser beschäftigen. Für dieses Video solltet ihr euch schon ein wenig mit elektromagnetischen Wellen und den Elektronenübergängen im Atom auskennen, also zum Beispiel schon den Film über das BOHRsche Atommodell gesehen haben. Wir lernen heute, was ein Laser ist, worum es sich genau bei stimulierter Emission handelt und wie das ganze zu einem Laserstrahl führt - am Beispiel des Rubinlasers. Der Begriff Laser bezeichnet sowohl den physikalischen Vorgang, mit dem spezielle kohärente Strahlung erzeugt wird, als auch die Quellen dieser Strahlung. Der Begriff Laser ist ein Akronym, das heißt ein Wort, das sich aus den Anfangsbuchstaben mehrerer Wörter zusammensetzt. Und diese Wörter sind: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Das bedeutet auf deutsch so viel wie "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung". Und die stimulierte Emission ist sozusagen das Geheimnis des Lasers. Und wie sie genau funktioniert, das wollen wir uns im nächsten Kapitel ansehen. Die stimulierte Emission ist ein Spezialfall der Photonenerzeugung durch Elektronenübergänge. Wir wollen uns aber - bevor wir sie uns genauer ansehen - erst noch mal die spontane Emission ins Gedächtnis zurückrufen, a) zum besseren Verständnis und b) weil wir sie auch gleich noch brauchen. Trifft ein Photon auf ein Elektron und hat es genau die Energie, die das Elektron benötigt, um auf einen höheren Zustand zu springen, dann wird das Photon absorbiert und das Elektron springt in den höheren Zustand. Ein auf diese oder andere Weise angeregtes Elektron wird irgendwann - früher oder später - zurück in den Grundzustand springen. Dabei gibt es den Energieunterschied wieder als Photon ab; mit beliebiger Richtung und Phase. Dies nennt man spontane Emission. Von stimulierter Emission spricht man dagegen, wenn ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron trifft. Dabei muss die Energie des Photons genau gleich der Energiedifferenz zu einem Zustand niedrigerer Energie des Elektrons sein. Das Elektron wird dann dazu angeregt, in den Zustand niedrigerer Energie überzugehen. Dabei werden zwei Photonen emittiert, die die gleiche Wellenlänge, Richtung und Phase haben; die also kohärent sind, wie man sagt. Bei der stimulierten Emission wird also das zweite Photon quasi kopiert. Warum genau das passiert, ist gar nicht so einfach zu erklären. Stellt euch einfach vor, das Elektron sieht das Photon und denkt sich, "Oh ja stimmt, der Übergang geht grad gut, da mach' ich mit", und sendet ein zweites Photon dazu. Diesen Vorgang nennt man also stimulierte Emission. Wir merken uns: Trifft ein Photon auf ein angeregtes Elektron (und ist seine Energie gleich der Energiedifferenz zu einem Zustand niedrigerer Energie), so geht das Elektron in den niederenergetischen Zustand über und es werden 2 Photonen emittiert, die die gleiche Phase, Wellenlänge und Richtung des auslösenden Photons haben. Dies nennt man stimulierte Emission. Und die Grundidee des Lasers ist, viele stimulierte Emissionen hintereinander zu haben, damit man eine große Menge von Photonen mit genau gleicher Phase, Wellenlänge und Richtung bekommt. Da sich ein Photon, das sich durch ein Material bewegt aber normalerweise eher ein unangeregtes als ein angeregtes Elektron trifft, bringt uns das zu einem zweiten Problem: Damit wir mehr stimulierte als spontane Emission haben, müssen in dem Stoff, in dem wir unseren Laser erzeugen, mehr angeregte als unangeregte Elektronen sein. Diesen Zustand nennt man Besetzungsinversion. Und damit die stimulierte Emission überwiegt, brauchen wir also dringend diese Besetzungsinversion. Und wie man die erreicht, wollen wir uns im letzten Kapitel am Beispiel des Rubinlasers ansehen. In einem Rubinlaser wird, wie der Name schon sagt, der Laserstrahl in einem Rubin erzeugt. Das Lasermedium, oder - wie man auch sagt - das optisch aktive Medium ist also ein Rubinstab. An der Vorder- und Rückseite meines Rubinstabes bringe ich nun zwei Spiegel an: Einen, der alles reflektiert, der also eine Reflektivität von 100 % hat; und einen, der ein klein wenig durchlässt, der also zum Beispiel eine Reflektivität von 95 oder 98 % hat. Nun brauche ich noch - wie wir gerade schon festgestellt haben - zwei Dinge: Nämlich erstens Besetzungsinversion und zweitens Photonen, denn irgendwie muss ich den Stein ja auch ins Rollen bringen. Man erreicht beides durch eine Blitzlichtlampe. Diese sorgt für eine Energiezufuhr, die erstens viele Elektronen anregt und zweitens Photonen durch spontane Emission erzeugt. Man nennt das "optisches Pumpen". Da wir nun mehr angeregte als unangeregte Elektronen haben, werden die durch spontane Emission erzeugten Photonen durch stimulierte Emission immer weiter verstärkt. Unser Laserstrahl wandert dabei, von den beiden Spiegeln reflektiert, immer wieder durch den Rubinkristall. Er wird dadurch - durch viele einzelne stimulierte Emissionsvorgänge - immer weiter verstärkt. Das heißt, es kommen laufend Photonen hinzu, die die gleiche Richtung, Wellenlänge und Phase haben. Da der eine unserer beiden Spiegel eine Reflektivität von unter 100 % hat, kann durch ihn ein kleiner Teil des Lichtes hindurch. Und das ist der von unserem Rubinlaser erzeugte Laserstrahl, der dann für Experimente oder Ähnliches eingesetzt wird. Wir fassen noch mal zusammen: In unserem Rubinlaser wird die Besetzungsinversion durch "optisches Pumpen" mit einer Blitzlichtlampe erreicht. Dabei werden auch Photonen erzeugt. Und die Photonen werden von den Resonatorspiegeln immer wieder durch den besetzungsinvertierten Rubin geführt. Daraus folgt: Es kommen durch stimulierte Emission immer mehr Photonen gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase hinzu. Am Austrittsspiegel, also an dem, dessen Reflektivität kleiner als 100 % ist, tritt der Laserstrahl - wie der Name schon sagt - aus. Er ist gleichgerichtet, hat gleiche Wellenlänge und Phase - ist also kohärent. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Laser steht für "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission". Bei stimulierter Emission trifft ein Photon auf ein angeregtes Elektron. Die Energie des Photons muss dabei gleich der Energiedifferenz zu einem Zustand niedrigerer Energie des Elektrons sein. Es regt dann das Elektron zum Übergang in den Zustand niedrigerer Energie an. Dabei werden 2 Photonen gleicher Richtung, Phase und Wellenlänge emittiert. In einem Medium herrscht Besetzungsinversion, wenn mehr Elektronen angeregt als unangeregt sind. Dieser Zustand ist notwendig, damit die stimulierte Emission überwiegt. Man erreicht Besetzungsinversion zum Beispiel durch optisches Pumpen. Die Photonen werden dann durch Resonatorspiegel immer wieder durch das besetzungsinvertierte Lasermedium geführt und dadurch wird der Laserstrahl immer weiter verstärkt. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen! Vielen Dank fürs Zuschauen bleibt bis zum nächsten Mal, Euer Kalle.

1 Kommentar
1 Kommentar
  1. Dieser Vortrag ist super..besser geht es nicht!
    Komplizierte Naturwissenschaft so gut rübergebracht,dass es fast so einfach erscheint wie das kleine "Einmaleins".

    Von Ralf 10, vor etwa 9 Jahren

Laser Übung

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  • Gib die Bedeutung des Begriffes „LASER" wieder.

    Tipps

    Überlege dir, wie die Laserstrahlen erzeugt werden.

    Lösung

    Erinnert man sich an die Wörter, aus denen das Akronym „LASER" gebildet wird, dann hilft einem das dabei, sich die Funktionsweise zu merken.

    Der Laser funktioniert auf Grundlage der Lichtverstärkung (Light amplification) durch stimulierte Emission von Strahlung (Radiation).

  • Erkläre den Begriff stimulierte Emission.

    Tipps

    Emission bedeutet allgemein nur Ausstoß. Was bedeutet Emission in der Physik?

    Photonen werden auch Lichtteilchen genannt.

    Was ist der Unterschied zwischen spontaner und stimulierter Emission?

    Lösung

    Emission ist in der Physik die Abgabe von Energie in Form von Photonen.

    Spontane Emission ist das, was wir bereits kennen. Ein Elektron wird durch Energiezufuhr auf ein höheres Energieniveau angehoben und gibt kurze Zeit später, diese Energie wieder in Form eines Photons ab. So entsteht beispielsweise das Licht in Leuchtstoffröhren.

    Stimulierte Emission hingegen ist die Grundlage des Funktionsprinzips eines Lasers. Sie beschreibt das Phänomen, bei dem ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron trifft und das Elektron genau in diesem Moment ein Photon mit gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase abgibt.

  • Beschreibe die Funktionsweise der einzelnen Laserkomponenten

    Tipps

    Halte dir den Aufbau des Lasers vor Augen.

    Lösung

    Das Blitzlicht erzeugt in kurzen Zeitabständen viele energiereiche Photonen durch spontane Emission. Man nennt dies auch optisches Pumpen.

    Diese Photonen können dann wiederum im Rubinkristall durch stimulierte Emission verstärkt werden. Man kann sich das wie Klonen vorstellen. Stimulierte Emission beschreibt das Phänomen, bei dem ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron trifft und das Elektron genau in diesem Moment ein Photon mit gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase abgibt. Damit somit die Strahlung stark genug verstärkt werden kann, muss Besetzungsinversion im Medium vorliegen. Das heißt, dass es mehr angeregte als nicht angeregte Elektronen im Medium gibt.

    Diese Photonen werden zusätzlich durch die beiden Spiegel mehrfach durch das Medium geführt, sodass sie sich noch weiter verstärken können und irgendwann ein Teil von ihnen als Laserstrahl den Spiegel mit der Reflektivität von etwas unter 100% verlässt.

    Die Größe R steht hier für die Reflektivität des Spiegels. 100% bedeutet, dass das gesamte Licht reflektiert wird und nichts den Spiegel durchdringen kann.

  • Nenne Eigenschaften eines Lasers.

    Tipps

    Divergenz beschreibt den Öffnungswinkel einer Lichtquelle.

    Wo hast du bereits einen Laser gesehen und wo werden Laser verwendet?

    Lösung

    Laser sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Man findet sie unter Anderem in CD oder DVD Laufwerken, in Druckern, Sensoren, Werkstätten.

    Laser sind im Bezug auf die Lichtmenge, die sie emittieren, recht energieaufwendig, da ihre Strahlung auch eine sehr hohe Energiedichte aufweist. Meist benötigt man jedoch nur kleine Mengen. Zudem gibt es mit moderner Technik bereits Möglichkeiten sehr energieeffiziente Laser zu bauen.

    Prinzipiell ist das Funktionsprinzip und somit auch die Herstellung um einiges aufwändiger als die Konstruktion einer normalen Lampe.

    Prinzipiell ist mit Lasern sehr vorsichtig umzugehen. Sogar im Handel erhältliche Laserpointer können unser Auge dauerhaft schädigen, falls die Strahlen direkt oder durch Reflexion an Metallen in unser Auge gelangen.

  • Definiere den Begriff Besetzungsinversion.

    Tipps

    In welchem Zustand befinden sich Elektronen normalerweise in einem beliebigem Medium?

    Was ist spontane Emission und unter welchen Bedingungen tritt sie auf?

    Lösung

    Stimulierte Emission ist die Grundlage des Funktionsprinzips eines Lasers. Sie beschreibt das Phänomen, bei dem ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron trifft und das Elektron genau in diesem Moment ein Photon mit gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase abgibt.

    Damit somit die Strahlung stark genug verstärkt werden kann, muss Besetzungsinversion im Medium (z.B. Rubin) vorliegen. Das heißt, dass es mehr angeregte als nicht angeregte Elektronen im Medium gibt.

  • Ordne den Lichtquellen das erzeugte Lichtspektrum zu.

    Tipps

    Worin könnte der Unterschied zwischen dem Sonnenlicht und dem einer Glühlampe liegen?

    Leuchtstoffröhren sind häufig mit verschiedenen Gasen gefüllt, um angenehm weißes Licht zu erzeugen.

    Lösung

    Das Spektrum des Sonnenlichtes besitzt einen recht hohen UV-Anteil. Das ist ultraviolettes Licht und besitzt eine kurze Wellenlänge und ist somit energiereich. Es ist auf der einen Seite lebenswichtig für alle Organismen, auf der anderen Seite kann es gefährlich für die Haut sein, falls wir uns ihm zu lange aussetzen. Es sorgt für den Sonnenbrand.

    Das Spektrum einer Glühlampe sieht recht ähnlich aus, ist auch kontinuierlich, beinhaltet jedoch kaum UV-Strahlung.

    Von Leuchtstoffröhren emittierte Strahlung besitzt je nach Füllung eine oder mehrere verschiedene Wellenlängen. Es sind aber die Spitzen deutlich zu erkennen, die die Energieübergänge der verwendeten Gase charakterisieren.

    Ein Laserstrahl besitzt, wie wir gelernt haben, idealerweise nur Licht einer einzelnen Wellenlänge und ist somit als einzelner „Peak" im Diagramm dargestellt.

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