1,3 MB - Physik am Samstag
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Finite Systems Von der Kerze zum Hochleistungslaser: Die Physik des Lichts Jan Michael Rost Max-Planck-Institute for the Physics of Complex Systems, Dresden Dank an: Lukas Eng Tobias Schneider,Ivo Häring, Tom Mahler Finite Systems Theoretische Physik des 20 Jh. Makrokosmos: Mikrokosmos: Welle-Teilchen Relativitätstheorie Quantenmechanik Dualismus (A. Einstein) -> es ex. Konstante h: -> es ex. Konstante c: Welle-Teilchen c = ln E = hn Planck´sches Lichtgeschwindigkeit Wirkungsquantum Dualismus c = 299792452 m/s h = 6.6260688 pm 5 x 10-34 Js Licht elektromagnetische Welle mit endlicher Geschwindigkeit c ist quantisiert in Form von Photonen der Energie hn Finite Systems Radio Elektromagnetisches Spektrum Mikrowelle 104 102 1 infrarot sichtbar 10-2 10-5 UV 10-6 Röntgen 10-8 g-Strahlen 10-10 10-12 Wellenlänge in cm Grösse: Gebäude Mensch Biene Stecknadel Viren Frequenz Moleküle Atome Atomkerne Finite Systems Radiowellen Elektromagnetisches Spektrum CO Verteilung in der Milchstrasse Finite Systems Mikrowellen Amazonas in Brasilien 20 cm Wellen (L-Band) Finite Systems Infrarot FernesInfrarot wird Nahes Infrarot istals nicht warm. Fernes Infrarot wird rmestralng Es wird fürwargenommen Fernbedienungen als Wärmestrahlung genutzt. wahrgenommen Menschen strahlen Wärme im Bereich von 10mm ab. Finite Systems Sichtbar Finite Systems UV (ultraviolett) Hummeln sehen im UV Bereich Our Sun emits light at all the different wavelengths in electromagnetic spectrum, but it is ultraviolet waves that are responsible for causing our sunburns. To the left is an image of the Sun taken at an Extreme Ultraviolet wavelength - 171 Angstroms to be exact. (An Angstrom is a unit length equal to 10-10 meters.) This image was taken by a satellite named SOHO and it shows what the Sun looked like on April 24, 2000. Sonne Finite Systems Röntgen Wilhelm Conrad Röntgen fand die Röntgenstrahlen, oder wie er sie nannte, X-Strahlen, zufällig im Jahre 1895. Sonne Finite Systems Mond g -Strahlen Finite Systems Eigenschaften elektromagnetischer Wellen 1 Polarisation Beugung 2 Interferenz 3 4 Kohärenz Finite Systems Polarisation Eigenschaften elektromagnetischer Wellen Polarisation Finite Systems Beugung Eigenschaften elektromagnetischer Wellen Finite Systems Interferenz Eigenschaften elektromagnetischer Wellen Finite Systems Interferenz Eigenschaften elektromagnetischer Wellen Finite Systems Eigenschaften elektromagnetischer Wellen 1 Polarisation Beugung 2 Interferenz 3 4 Kohärenz Finite Systems Kohärenz Eigenschaften elektromagnetischer Wellen E2 hn E1 Emission dauert tc<10-8s: kohärente Wellenzüge der Länge lc = tc/c < 1m Anregung des Elektrons (z.B. Absorption von Licht) weisses Licht nur lc ≈ 1mm Rückkehr des El. nach E1 unter spontaner Emission von Licht hn = E2 - E1 Finite Systems Zwischenbilanz “gewöhnliche” thermische Lichtquellen: . geringe Kohärenzlänge . nicht monochromatisch . geringe Intensität und Energiedichte die meiste Energie geht in Wärmeabstrahlung Finite Systems Energiebilanz einer typischen Glühlampe Wärme: 94 % sichtbares Licht: 5 % UV: 1% Finite Systems Die Idee des LASERS Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation hn = E2 - E1 hn E2 Stimulierte Emission: hn E1 Wenn viele El. auf E2 sind werden sie durch Einstrahlen der Frequenz hn = E2 - E1 aber: zu stimulierter Emission von Licht wie gelangen die Elektronen nach E2? der Frequenz n veranlasst (optisches) Pumpen > Inversion der Besetzung von E1 und E2 nötig < wie erzeugt man das stimulierende Licht und koppelt das Laserlicht kontrolliert aus? -> kohärentes monochromatisches Licht !! optischer Resonator Finite Systems Optischer Resonator hn = E2 - E1 E 2 Spiegel (teildurchlässig) hn E es muss 1 stehende Welle entstehen: genaue Justierung der Spiegel essentiell Begrenzung durch Lebensdauer des E2 Niveaus -> He-Ne Laser: Genauigkeit der Spiegelposition bei 1m Abstand von DL=10-6m nötig Finite Systems (Optisches) Pumpen E3 E2 E1 hn hn = E2 - E1 Übergang E1-E3 wird gepumpt, um nicht den Laserübergang E1-E2 zu stören. Finite Systems Bausteine des Lasers 1. lasendes Medium Festkörper, Gas,... 2. (optisches) Pumpen Energiezufuhr: Licht, anderer Laser, Stösse im Gas,... 3. optischer Resonator Verstärkung für stimulierte Emission Finite Systems Laserpower von Milliwatt (10-3) bis Terawatt (1015) 1 Milliwatt: Laserpointer CD-Player Barcode-Scanner Terawatt und mehr: Röntgenlaser X-FEL Leistung von 1 Million Elektrizitätswerken Finite Systems Laserarten Gaslaser: He-Ne CO2 Halbleiterlaser: GaAlAs Blei-Salz (Diodenlaser) Festkörperlaser: Rubin Glas Titan-Saphir FEL´s: Röntgen X-FEL´s the future! Finite Systems Der Röntgenlaser bei DESY in Hamburg (im Bau) Finite Systems Der Röntgenlaser bei DESY in Hamburg (im Bau) Elektronenstrahl mit beinahe Lichtgeschwindigkeit Magnete lenken den Elektronenstrahl ab beschscleunigte Elektronen strahlen Licht ab Ein Puls von kohärentem Röntgenlicht baut sich auf Finite Systems Forschung... Laseranwendungen Materialbearbeitung: Erwärmen Schmelzen Verdampfen Laser in der Medizin Chirurgie Abtragung von Ablagerungen Augen Laser im Alltag Laserdrucker CD Player BarCodeScanner Finite Systems Laseranwendungen: Netzhaut anheften Laserlicht Hornhaut Linse Erwärmung verbindet wieder Netzhaut mit Aderhaut Netzhaut Aderhaut Finite Systems Laseranwendungen: CD Player hell:0 Laserlicht dunkel: 1 digitale Kodierung 0100101... 0.8mm l/4 1.6mm Finite Systems Thanks !
