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Einführung Laser

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  • Einfhrung in die Funktionsweise

    des Lasers

    von Alexander Erlich

    BremenDezember 2006

  • Einfhrung in die Funktionsweise des Lasers

    Inhaltsverzeichnis

    Inhaltsverzeichnis 1

    1. Einleitung 2

    2. Konventionelle Lichtquellen 2

    3. Stimulierte Emission 3

    4. Thermische Gleichgewichtsverteilung 4

    5. Der Helium-Neon-Laser 5

    6. Anwendungen des Lasers 10

    7. Literatur 12

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  • Einfhrung in die Funktionsweise des Lasers

    1. EinleitungGegen Ende der 40er Jahre und nochmals um 1960 entsprangen der Quantenmechanik zwei weit reichende technologische Anwendungen: der Transistor, der die Computerrevolution auslste, und der Laser. Das Wort Laser ist ein Kunstwort und wurde aus einem Teil der Anfangsbuchstaben des englischen Ausdrucks Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (=Lichtverstrkung durch erzwungene Aussendung von Strahlung) gebildet. Laser haben sehr vielseitige wissenschaftliche und technische Verwendungsmglichkeiten. Die Theorie des Lasers geht auf die Formulierung der stimulierten Emission durch A. Einstein 1917 zurck, doch der erste funktionsfhige Laser wurde im Jahre 1960 von dem amerikanischen Physiker T. H. Maiman entwickelt. Heute gibt es eine Flle verschiedenartiger Laser, die nach der Art der verwendeten Werkstoffe in Kristall- oder Festkrperlaser (z.B. der erwhnte, von Maiman entwickelte Rubin-Laser), Gas-Laser oder Halbleiter-Laser und Laserdioden eingeteilt werden. Des Weiteren gibt es eine Einteilung in Laser-Klassen, welche entsprechend der biologischen Wirkung von Laserstrahlung kategorisiert werden. CD/DVD-Player sind z.B. Klasse 1 Laser (ungefhrlich fr Auge und Haut), whrend Klasse 4 Laser mit ihrer Strahlung sehr gefhrlich fr Auge und Haut sind und Brand- oder Explosionsgefahr verursachen knnen. Im Folgenden sollen die physikalischen Grundlagen eines Gas-Lasers, des Helium-Neon-Lasers, entwickelt werden.

    2. Konventionelle LichtquellenBevor wir uns mit dem Laser genauer beschftigen, soll an einige Vorgnge erinnert werden, die von den konventionellen Lichtquellen her bekannt sind. Bei diesen Lichtquellen strahlen in rascher Aufeinanderfolge zahlreiche Atome ihre Lichtquanten oder Wellenzge aus, indem nach statistischen Gesetzen immer wieder Atome spontan aus dem

    Abb. 1: inkohrentes Licht

    Abb. 2: kohrentes Licht

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  • Einfhrung in die Funktionsweise des Lasers

    angeregten Zustand in den Grundzustand bergehen (spontane Emission). Natrlich muss bei einer stndig strahlenden Lichtquelle laufend fr eine erneute Anregung von Atomen gesorgt werden, was bei dem Glhdraht einer elektrischen Lampe durch die zugefhrte elektrische Energie und bei einer Kerzenflamme durch die Wrmeenergie der Verbrennung geschieht. Das von einer solchen Lichtquelle ausgehende Licht setzt sich also aus einer groen Zahl von Wellenzgen zusammen (Abb.1). Zwischen den Wellenzgen ist ein Gangunterschied , sie sind also phasenverschoben (zeitliche Inkohrenz).

    Des Weiteren ist das ausgesendete Licht nicht einfarbig. Neben einer berwiegend emittierten

    Frequenz f 0 treten auch Wellenzge mit

    benachbarten Frequenzen auf (Abb. 3). Dabei ist die Frequenzunschrfe umso grer, je krzer die Wellenzge sind. Diese Eigenschaft spiegelt sich in der Heisenbergschen Unschrferelation Wfh wieder und wird

    als rumliche Inkohrenz bezeichnet. Das mit Hilfe des Lasers erzeugte Licht unterscheidet sich von dem durch konventionelle Lichtquellen abgestrahlten Licht dadurch, dass es rumlich und zeitlich kohrent, also auch monochromatisch, und zustzlich praktisch parallel ist. Dies sind die wichtigsten Eigenschaften des Laserlichtes.

    3. Stimulierte EmissionEine entscheidende Rolle fr die Laserwirkung spielt die stimulierte Emission. Bei der spontanen Emission (Abb.4) verweilen angeregte Elektronen in Atomen eine gewisse Zeit, die meist in der

    Grenordnung von 108s liegt, im angeregten Zustand, um dann unter Emission eines Lichtquants aus dem

    Abb. 3: Intensittsverteilung einer

    roten Cadmiumlinie

    Abb. 4: spontane Emission

    Abb. 5: stimulierte Emission4

  • Einfhrung in die Funktionsweise des Lasers

    angeregten Zustand in den Grundzustand zurckzukehren. Es kann aber auch ein anderer Vorgang geschehen: Ein angeregtes Elektron in einem Atom kann durch ein einfallendes Energiequant mit der Energie W=hf

    zum bergang aus dem angeregten Zustand mit der Energie W1 in den

    Grundzustand mit der Energie W0 veranlasst werden, bevor es Zeit zur

    spontanen Emission hatte. Die dabei freiwerdende Energie wird als ein

    zustzliches Energiequant der gleichen Gre W=W1W0=hf emittiert.

    Es sind jetzt also zwei Quanten mit der gleichen Energie vorhanden (Abb. 5). Dieser Effekt wird als induzierte oder stimulierte Emission bezeichnet.

    4. Thermische GleichgewichtsverteilungIn Gasen oder Stoffen sind Energieniveaus bei den einzelnen Atomen normalerweise keineswegs gleichmig besetzt. Am grten ist in Stoffen und Gasen also im statistischen Mittel die Teilchenzahldichte (Teilchen pro Volumen) derjenigen Teilchen, die sich im

    Grundzustand W1 befinden. Auf der

    nchsthheren Energiestufe W1 ist die

    Teilchenzahldichte geringer als die auf der

    Energiestufe W0 . Diese normalerweise

    vorliegende Verteilung wird als thermische Gleichgewichtsverteilung bezeichnet (Abb. 6).

    Befinden sich Atome in einer thermischen Gleichgewichtsverteilung, knnen sie jedoch nicht zur Lichtverstrkung durch stimulierte Emission dienen. Wre dies der Fall, msste es fter zur stimulierten Emission als zur Absorption von Quanten kommen. Beide Vorgnge sind im Prinzip gleich wahrscheinlich: Wenn ein Energiequant auf ein Elektron in einem energetischen Zustand trifft, der hher ist als der Grundzustand, kann es sein, dass das Elektron durch stimulierte Emission auf einen niedrigeren Energiezustand abfllt und dabei ein zustzliches Energiequant

    Abb. 6: thermische Gleichgewichtsverteilung

    Abb. 7: inverse Besetzungszahlen

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  • Einfhrung in die Funktionsweise des Lasers

    emittiert; es kann aber auch sein - und dies ist genauso wahrscheinlich -, dass das Elektron das einfallende Energiequant absorbiert und auf ein noch hheres Energieniveau steigt.

    Allerdings ist, wie gesagt, bei Gasen und Stoffen der Energiezustand W0

    normalerweise erheblich strker besetzt als der Energiezustand W1 . Damit

    es zur Lichtverstrkung durch stimulierte Emission kommt, muss genau

    diese Beziehung umgekehrt werden; der Energiezustand W1 muss strker

    besetzt sein als der Energiezustand W0 (Abb. 7). Eine solche Vernderung

    wird als Inversion der Besetzungszahlen bezeichnet.

    5. Der Helium-Neon-LaserBeim Helium-Neon-Laser befindet sich in einem zylindrischen Gasentladungsrohr ein Gemisch aus den beiden Edelgasen Helium und Neon; das Mischungsverhltnis betrgt etwa 10:1 und der Gasdruck etwa 1,3 mBar. In dem Rohr wird eine Gasentladung erzeugt. Dabei entstehen durch die Ionisation von Helium- und Neonatomen freie Elektronen, so dass sich in dem Entladungsrohr dann ein Gemisch aus neutralen und ionisierten Helium- und Neonatomen sowie aus Elektronen befindet. Dabei stoen die Elektronen mit nichtionisierten Heliumatomen (dies funktioniert nur bei nichtionisierten Heliumatomen, da Edelgase keine negativen Ionen bilden und somit das Elektron nicht vom Heliumatom aufgenommen werden kann) und geben ihre kinetische Energie teilweise oder ganz ab. Dabei werden Elektronen in den Heliumatomen oft in hhere Anregungszustnde von

    etwa 25eV versetzt, wo sie etwa 108s verweilen, bis sie durch spontane Emission in energiermere Zustnde oder den Grundzustand zurckkehren. Oftmals fallen die Elektronen jedoch von einem der hohen Anregungszustnde bei etwa 25eV auf einen der beiden Zustnde des

    Heliumatoms bei WHe ,1=19,82EV bzw. WHe ,2=20,61eV (diese sind nicht

    metastabil, s.u.), die hier eine besondere Rolle spielen. Die durch Elektronenste hervorgebrachten Anregungen werden als Anregungen durch Ste erster Art bezeichnet.

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  • Einfhrung in die Funktionsweise des Lasers

    Entscheidend fr den Helium-Neon-Laser ist auch, dass zwei metastabile Anregungszustnde des Neons existieren, deren

    Energien bei WNe ,1=19,82eV

    und WNe ,1=20,66eV liegen, also

    nahezu mit denjenigen der oben genannten Anregungszustnde des Heliumatoms bereinstimmen. Wenn ein solches angeregtes Heliumatom auf ein sich im Grundzustand befindendes Neonatom trifft, so kann es seine gesamte Energie auf das Neonatom bertragen. Durch diese Ste werden also auch die Neonatome in so genannte metastabile Anregungszustnde versetzt (Anregung durch Ste zweiter Art, vgl. Abb. 8). Metastabil bedeutet hier, dass die Elektronen auf dem metastabilen Energieniveau deutlich lnger verweilen