Laser
Induzierte Emission:
Elektron im angeregten Zustand E
2
> E
1
von Photon der Frequenz hf = E
2
- E
1
getroffen
geht unter Abstrahlung eines gleichen Photons in Grundzustand über
Photonen haben gleiche Frequenz und gleiche Phase
Laserlicht: Licht aus solch gleichartigen Photonen
Wiederholte induzierte Emission:
Prozess kann beliebig oft iteriert werden
Problem: Zahl der angeregten Teilchen klein (Boltzmann-Verteilung)
auch bei hohen Temperaturen: N
1
> N
2
Wahrscheinlichkeit p gleich für induzierte Emission und Absorption
Einstrahlung von Photonen der Energie ΔE →
p N
1
Photonen absorbiert
p N
2
Photonen erzeugt durch induzierte Emission
Nettoeffekt: mehr Teilchen absorbiert als erzeugt
kein Laserlicht erzeugt
Besetzungsinversion:
System mit N
2
> N
1
im thermodynamischen Gleichgewicht nicht möglich
Grundidee: drei Zustände, der obere metastabil (t
2
>> t
1
)
Energiezufuhr bevölkert E
2
("Pumpen")
Zustand E
1
zerfällt schnell → Inversion
Grundaufbau eines Lasers:
Schema
aktives Material mit den nötigen Energieveaus
Lampe pumpt Energie ins System → Inversion
Spiegel führen Laserlicht mehrfach durchs Material
halbdurchlässiger Spiegel lässt Laserlicht genügender Stärke austreten
Eigenschaften von Laserlicht:
monochromatisch, typische Breite der Frequenzverteilung:
Lichtquelle
Δf/f
Sonnenlicht
kontinuierlich
Glühbirne
kontinuierlich
Halogenlampe
10
-6
Laser
10
-10
Laser, frequenzstabilisiert
10
-15
phasen-kohärent, typische Kohärenzlängen:
Lichtquelle
Kohärenzlänge
Sonnenlicht
2 μm
Spektrallampe
20 cm
HeNe-Laser
2 km
geringe Divergenz (vgl. Aufgabe 17)
sehr hoch fokussierbar
Energiedichten bis zu 10
17
W/cm
2
(auf sehr kleiner Fläche)
Energiedichte einer Schweißbrennerflamme: 10
3
W/cm
2
Lasertypen:
Festkörperlaser
aktives Material z.B. Rubin
Pumpen durch starke Lichtblitze
starker, aber kurzzeitiger Strahl
Gaslaser
aktives Material z.B. He-Ne-Gemisch
Pumpen durch Gasstöße bei der Gasentladung
andauernde Strahlen
teilweise sehr hohe Energien (CO
2
-Laser)
Halbleiter-Laser
aktives Material: Grenzschicht verschieden dotierter Halbleiter (pn-Übergang)
Pumpen durch elektrischen Strom
verschiedene Wellenlängen durch Material und Bauart
Laseranwendungen:
Materialprüfung
Schwingungs- oder Verformungsanalysen mit Interferenzmustern
Messtechnik
Entfernungsmessung
Laser-Radar
Leitstrahlen im Vermessungswesen
Spektroskopie
Materialbearbeitung
Schneiden von 100 Schichten Stoff auf einmal
Schweißen von Karosserieteilen
Bohren
Nachrichtentechnik
optische Datenübertragung
Abtastung von CDs und DVDs
Medizin
Netzhaut-Operationen
Zerstören von Krebszellen
Laser-Skalpell
Zerstörung kariöser Zahnteile
Aufgaben:
Aufgabe 16
Aufgabe 17
