Funktionsweise des

RUBIN - LASER

von Katja Wollny und Nicole Hüser

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Inhaltsverzeichnis

- Entstehung

- Laser - Übersicht- Das Experiment

- Festkörper Laser- Schematische Darstellung des Rubin - Lasers- Eigenschaften des Laserlichts- Künstliche Erzeugung des Rubin - Kristalls- Funktionsweise

- Quellennachweis

- Anwendungen- Jüngste Entwicklungen

Entstehung

- schon Albert Einstein lieferte 1917 die theoretischen Grundlagen wussteaber noch nicht um die Bedeutung

- erst zwei Amerikaner und zwei Russen entwickelten genauere Theorien,konnten diese jedoch nicht in die Praxis umsetzen

- 1960: die entgültige Geburt des Lasers, ein ganz kleines, fast unschein-bares Experiment von Theodore Maiman brachte den Durchbruch

- den Nobelpreis erhielten allerdings die vier Physiker, die den Laservoraussagten aber nicht produzieren konnten

Das Experiment

Er nahm einen Würfel aus Rubin, brachtediesen in eine Blitzlichtlampe und blitztediesen kontinuierlich an.Der Würfel begann nach einer Weile zustrahlen.Das rote Licht, das der Würfel aussendetewar einfarbig und gut gebündelt.Es enthielt also nicht wie das Sonnenlichtoder eine Glühbirne alle Farbenund breitete sich auch nicht trichterförmig aus.

In weiteren Experimenten erwies sich ein stabförmiger Rubin als günstiger,bei der Stabform ist es bis heute geblieben.

Festkörper Laser

- aktives Medium:• Kristall- oder Glasstäbe• Kristalle: Oxide oder Fluoride (z.B. Korrund (Al2O3) im Rubinlaser)• Gläser: Phosphate und Silikate• dotiert mit optisch wirksamen Ionen:

Übergangsmetalle: Cr (im Rubinlaser), Ni, Coseltene Erden (Lanthanoide): Nd (Neodym),

Er (Erbium),Ho (Holmium)

• Dichte der laseraktiven Teilchen: 1019 1/cm3

(höher als bei Gaslasern: 1015 – 1017)• Das Wirtsmaterial muss gute optische, mechanische und thermischeEigenschaften besitzen

Festkörper Laser

- die Elektronenübergänge finden in den inneren ungefüllten Schalen statt- die Anregung der Elektronen erfolgt durch optisches Pumpen (Lampen,Halbleiterdioden, andere Laser)

- in den Festkörper Lasern lassen sich große optische Energien speichernund hohe Leistungen extrahieren

Schematische Darstellung des Rubin - Lasers

- Lichtstrahlen werden an den Spiegeln zurückgelenkt und verstärkt,bzw. verstärken die Erzeugung neuer Lichtwellen

- dabei werden die Wellen zwischen den Spiegeln immer dichter und tretenan der halbverspiegelten Seite aus

- der Strahl, der rechts herauskommt ist fast parallel, weil sich nur solcheWellen verstärken können, die zwischen den Spiegeln hin- und hergeworfenwurden

Eigenschaften des Laserlichts

- das Geheimnis des Laserlichts ist die Lichtverstärkung durch erzwungeneAussendung von Strahlen

- das Licht ist: • extrem intensiv• einfarbig• scharf gebündelt

Künstliche Erzeugung des Rubin - Kristalls

- in einem Behälter (1) wird Al2O3 miteiner Spur Cr2O3, das das Pulverrot färbt gemischt

- dieses Gemisch rieselt in den Ofen (2)und wird wegen der hohenSchmelztemperatur von Chrom bei2200°C geschmolzen

- die Schmelze sammelt sich auf demRubinsplitter (3)

- die Plattform mit dem anfänglichen Rubinsplitter wird langsam hinunterbewegt, so dass dieser wachsen kann

Funktionsweise

- die Laserübergänge finden in den Elektronenschalen der Cr3+-Ionen statt

BlauesBand

Gr nesBand

Absorption

Fluoreszenz

Laser bergang

Energie [103cm-1]

30

25

20

15

10

5

0 4A2

R1R2

2E2A

E

29 cm-1

4F2

4F1

- durch Pumplicht im blauen und grünen Spektralbereich erfolgt die Anregung der Cr3+ aus dem Grund-zustand in die breiten Energiebänder

- die Lebensdauer der F-Zustände ist aber sehr kurz und die Elektronen wechseln auf das metastabile E-Niveau (Relaxation)

- auf dem E-Niveau reichern sich die Elektronen an und bauen so eine Besetzungsinversion auf

- durch die Inversion kommt es dannn zum Laserübergang vom E-Niveau ins Ausgangsniveau

Funktionsweise

- der Rubin – Laser ist ein Dreiniveau – Laser- Nachteil: es müssen etwa 50% der Atome angeregt werden, damit es

zu einer Überbesetzung und Lichtverstärkung kommtes ist eine höhere Pumpenergie zum Erreichen der Laser-schwelle notwendig

- bei Zimmertemperatur sendet der Laser Licht der Wellenlänge 694,3nm aus- bei Abkühlung auf 77K (mit flüssigem Stickstoff) verschiebt sich dieWellenlänge auf 693,4nm

Anwendungen

- in der Industrie:- präzises erhitzen, schmelzen und verdampfen- Löcher in Diamanten bohren- Wärmebehandlung von Halbleiterchips- Zuschneiden von Modeschnittmustern- synthetische Herstellung neuartiger Materalien- Ingangsetzung kontrollierte Kernfusion

- in der Wissenschaft:- genaue Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit- gezielte Ingangsetzung von chemischen Reaktionen- Auffinden von Spurenelementen in Analysenproben

Anwendungen

-in der Kommunikation:- Übertragung von Fernsehprogrammen (im Weltall)- Hologrammtechnik

- in der Medizin:- chirurgische Eingriffe

- in der Militärtechnologie:- Laserleitsysteme- Herstellung von Nuklearwaffen durch Farbstofflaser

Jüngste Entwicklungen

- Atomlaser:- der Laser arbeitet anstelle von Licht (Photonen) mit Atomen- man erwartet, dass sich die Materialwellen analog den Lichtwellenbündeln lassen

- als Atomquelle dient ein sogenanntes Bose – Einstein – Kondensat, einGas aus z.B. Rubidiumatomen, das mit Hilfe von Tiefsttemperaturtechnikauf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt liegt die Atomeverlieren ihre Identität und werden eine Einheit

- mögliche Anwendung: durch Ablegen einzelner Atome können feinsteNanostrukturen auf Trägeroberflächen erzeugtwerden neuartige Halbleiterbauelemente

Quellennachweis

- LaserHans K. Koebner; Elektor Verlag

- Einführung in die LaserphysikWulfhard Lange; Wiss. Buchges.

- LaserJürgen Eichler, Hans Joachim Eichler; Springer Verlag

- Laser – das andere LichtAngelika Anders-von Ahlften, Hans-Jürgen Altheide; Georg Thieme Verlag

- LasertechnikWitlof Brunner, Klaus Junge; Hüthig Verlag

- CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0

Danksagung:Damian für die Benutzung seines Scanners