Basiswissen Laser

Basiswissen Laser
Eine kurze Einführung in die Funktionsweise des LASERS.
Die Geschichte des Lichtes in der Physik ist typisch für die Wissenschaft, bzw. wie
Wissenschaft funktioniert. Es werden Theorien entworfen und ein mathematischer Formalismus
wird entwickelt. Die Theorie ist dann solange gültig, bis ein Experiment damit nicht mehr erklärt
werden kann und eine Korrektur verlangt.
So war es auch beim Licht. In den letzten dreihundert Jahren hat sich die Vorstellung vom Licht
dreimal geändert.
Newton stellte sich Licht aus Teilchen bestehend vor, dann kam die Huygensche Wellentheorie
und heute weiß man, dass Licht beides ist, nämlich Welle und Teilchen, und die dazu gehörige
Theorie heißt Quantenelektrodynamik.
Licht ist also weder eine Welle, noch ein Teilchen, sondern ein quantenmechanisches System,
welches durch die Quantenelektrodynamik sehr genau beschrieben werden kann.
Zur Erklärung der Lichtentstehung benötigen wir die Begriffe " Atom ", "Photon" und "Elektron".
Ein Atom besteht aus dem Atomkern (dieser besteht wiederum aus Protonen und Neutronen),
sowie der Atomhülle, die aus Elektronen besteht. Elektronen haben Masse sowie eine negative
Ladung und sie nehmen bestimmte Bahnen (im Bohrschen Atommodell) oder
Wahrscheinlichkeitsverteilungen (im quantenmechanischen Atom) ein. Diesen
Aufenthaltsräumen sind verschiedene Energiewerte zugeordnet.
Ein Photon ist die kleinste Einheit des Lichtstromes, auch Lichtteilchen genannt. Ein Photon
hat keine Masse (Ruhemasse) und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Nach Louis de Broglie
ist die Doppelnatur des Lichtes eine universelle Eigenschaft von Wellen, d.h. dass jedes
Teilchen auch Welleneigenschaften hat. Also kann man jedem Teilchen auch eine Frequenz
zuordnen.
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Wie entsteht nun Licht?
Der Wolframdraht in einer Glühbirne wird durch die Elektronen des elektrischen Stromes, der
sich da “durchzwängen” muss, zum Glühen gebracht und dadurch wird Licht ausgesandt.
Genauer: Elektronen geben ihre Energie an die Wolframatome ab, d.h. Elektronen werden in
der Atomhülle auf Bahnen mit höherer Energie gehoben. Dort bleiben sie jedoch nicht lange,
sondern fallen wieder auf ihre Ausgangsposition zurück. Dieser Übergang findet spontan und zu
keiner genau definierten Zeit statt ( Quantensprung ). Dabei wird die Enegie, welche sie vorher
auf die höhere Bahn gehoben hat, wieder abgegeben und zwar in Form eines Photons, also
eines Lichtteilchens, das man sich auch als winziges Wellenpaket vorstellen kann.
Wenn ein Photon ein Atom trifft, das schon angeregt ist, so gibt das Atom ein neues Photon ab,
das völlig identisch mit dem einfallenden Photon ist; die gleiche Farbe, die gleiche Richtung hat.
Diesen Prozess nennt man "stimulierte Emission".
Also: Ein Photon trifft auf ein angeregtes Atom, und danach haben wir zwei Photonen, die
zusammen weiterfliegen. Treffen diese wieder andere angeregte Atome, haben wir schon vier
Photonen, und so weiter, und so weiter, aber sie sind alle identisch, weil sie durch stimulierte
Emission sozusagen geklont werden.
Die Zahl der Photonen wird also vergrößert, das Licht verstärkt. Das Wort "Laser" ist eine
Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Lichtverstärkung
durch stimulierte Strahlungsemission).
In einem Helium-Neon-Laser (Röhre gefüllt mit den Gasen Helium und Neon) passiert nun
folgendes (vereinfachte Erklärung):
Fast alle Atome oder Moleküle befinden sich im Zustand möglichst geringer Energie. Bringt man
nun durch Anlegen einer hohen Spannung (elektrische Entladung) Energie in das Gas hinein,
nehmen die Teilchen des Gases die Energie auf und gehen in einen angeregten Zustand über
(sie befinden sich nun in einem höheren Energieniveau).
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Strahlt man nun passende Photonen auf die Gasteilchen, wie im nächsten Absatz beschrieben,
so geben diese die gespeicherte Energie in Form von Photonen wieder ab (das ist genau jene
Energie, die beim Zurückfallen auf das niedrigere Niveau frei wird). Daher besitzten die
abgestrahlten Photonen dieselbe Richtung und Energie wie die eingestrahlten.
Parallele Spiegel an den Enden des Lasers reflektieren das Licht hin und her (Resonator).
Dabei treffen die Photonen auf weitere angeregte Teilchen und zwingen diese zur Abgabe der
gleichen Energie (Photonen mit gleicher Frequenz). So werden immer mehr Photonen frei, es
entsteht ein Lawineneffekt. Der Laserstrahl aus parallelen Lichtwellen wird durch einen der
Spiegel, der teildurchlässig ist, nach außen gestrahlt.
Der Stickstofflaser
Stickstoff kann ebenfalls durch eine sehr kurzzeitige und intensive elektrische Gasentladung
zum Lasern gebracht werden. Der Resonator ist bei diesem Laser wertlos, weil die
Verweildauer des Elektrons im oberen Laserniveau des Stickstoffs nach der Energiezufuhr
kürzer ist als die Laufzeit des Lichtes von einem Spiegel zum anderen. Das reflektierte Licht
würde erst dann zurückkommen, wenn die
Besetzungsinversion (mehr Elektronen
im oberen Niveau als im unteren Niveau) nach der Anregung bereits beendet ist. Dann sind
aber keine angeregten Atome mehr da, die “geklont” werden könnten.
In diesem Fall ist die Intensitätszunahme des Lichtes pro Millimeter Länge des Laserkanals (die
Verstärkung) aber ausreichend groß, dass es zur spontanen Laserentstehung kommt. Wenn
Laserbetrieb stattfindet, ohne dass ein Resonator erforderlich ist, spricht man von einem
Superstrahler.
Laserbetrieb von Stickstoff ist auch bei normalem Druck möglich. Solche Laser heißen TEA-Las
er
(trans
versal elektrisch angeregte Atmosphärendruck-Laser).
Der Stickstofflaser ist ein Dreiniveau-Laser. Durch Elektronenstöße werden Stickstoffmoleküle
aus dem Grundzustand in einen angeregten Zustand gebracht, der hier mit C3 bezeichnet wird.
Dieser Zustand liegt etwa 11 eV über dem Grundzustand und geht unter Aussendung eines
Photons von 337,1 nm Wellenlänge in den ca. 3,7 eV tiefer liegenden angeregten Zustand B3
über.
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Von dort fallen die Moleküle stufenweise in den
Grundzustand zurück. Bei der Funkenentladung ist die
Anregungswahrscheinlichkeit für den C3-Zustand größer
als für den B3-Zustand. Daher entsteht zunächst die für die
Laseraktivität notwendige Besetzungszahlinversion. Die
beim Übergang C3 - B3 emittierten Photonen treffen auf
weitere Moleküle, die sich im C3-Zustand befinden und d u
rch stimulierte Emission entsteht ein Laserimpuls. Da
jedoch der untere B3-Zusta
nd eine wesentlich längere Lebensdauer hat als der obere
C3-Zustand (10µs gegen 40 ns), baut sich die bei der
Funkenentladung erzeugte Besetzungszahlinversion
schnell ab. Wenn sich mehr Moleküle im unteren als im
oberen Zustand befinden, absorbiert der Stickstoff die
Laserstrahlung und die Lasertätigkeit hört auf. Aus diesem
Grund kann der Stickstofflaser nur Impulse emittieren, die
kürzer als 15 ns sind.
Hier ist ein selbst gebauter Laser abgebildet, der wie folgt
funktioniert.
Durch eine starke elektrische Entladung zwischen zwei als Schneiden ausgebildeten
Elektroden werden die Stickstoffatome aktiviert. Diese Gasentladung wandert im Idealfall an
den Schneiden entlang. Der Laserpuls breitet sich parallel zu den Schneiden aus. Das
geschieht deshalb, weil auf dieser Achse für ein Photon die Wahrscheinlichkeit, auf ein angeregtes Atom zu treffen, am größten ist. Die Ausbreitungsrichtung des Strahls ist
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dadurch vorgegeben, dass an der Stelle der größten Divergenz auch die meisten
Stickstoffatome zwischen den Schneiden vorhanden sind, und so hier wiederum die
Wahrscheinlichkeit, angeregte Atome zu finden, am größten ist.
Die zur Anregung erforderlichen kurzen und intensiven elektrischen Pulse werden beim
Selbstbaulaser durch eine Funkenstrecke und einen Kondensator erzeugt.
Eine Aluplatte bildet eine Elektrode des Kondensators (mit Ground verbunden). Darauf liegt
eine starke Folie als Dielektrikum (braun im Bild). Darauf wiederum liegt die zweite Elektrode,
welche zweigeteilt und elektrisch mit einer Spule (L1) verbunden ist. Rechts erkennt man die
Funkenstrecke, die zwischen der unteren Elektrode und einer der beiden oberen Elektroden
angebracht ist.
Die Funktion:
Legt man an die Platten des Kondensators eine Spannung, so lädt sich der Kondensator auf
diese Spannung auf. Man misst dann z.B. von der unteren zur oberen Platte 5000 Volt. Erhöht
man die Spannung soweit, bis die Funkenstrecke zündet (abhängig von der Weite der beiden
Kontakte) so entlädt sich die rechte obere Platte schlagartig. Da die oberen zwei Platten mit
einer Spule verbunden sind, kann sich durch die Induktivität der Spule die linke Platte nicht
sofort entladen, und für einen Moment liegt die volle Spannung zwischen den beiden Platten,
d.h. links z.B. 8000 Volt und rechts 0 Volt. Darauf erfolgt die Entladung zwischen den
Schneiden der Platten, die Stickstoffatome der Luft werden angeregt und erzeugen einen
kurzen Laserpuls in Richtung des Entladekanals.
Da die Wellenlänge dieses Laserstrahles bei 337 nm liegt, der Mensch jedoch nur Licht
zwischen 400 und etwa 700 nm sehen kann, nimmt man den auftreffenden Strahl nur wahr,
wenn man ihn auf weißes Papier oder auf andere floureszierende Materialien richtet.
Quellen: Horst Weber "Laser" ISBN 3-406-43290-5 Richard P.Feynman "QED" ISBN
3-492-03103-X
Kamilla Herber "Physik
macchiato" ISBN 978-3-8273-7240-6
Wolfgang Rößler "Eine kleine Nachtphysik" ISBN 978-3-499-62487-2
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http://www.experimentalchemie.de/versuch-047.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Stickstofflaser
http://www.floriankarsten.de/laser.html
http://homemade-electronics.com/index.php?s=Stickstoff%20Laser
FAGU
Quellen:
Horst Weber "Laser" ISBN 3-406-43290-5
Richard P.Feynman "QED" ISBN 3-492-03103-X
Kamilla Herber "Physik macchiato" ISBN 978-3-8273-7240-6
Wolfgang Rößler "Eine kleine Nachtphysik" ISBN 978-3-499-62487-2
http://www.experimentalchemie.de/versuch-047.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Stickstofflaser
http://www.floriankarsten.de/laser.html
http://homemade-electronics.com/index.php?s=Stickstoff%20Laser
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