Das grundlegende Funktionsprinzip eines Lasers (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) basiert auf dem Phänomen der stimulierten Lichtemission. Durch präzise Konstruktionen und Strukturen erzeugen Laser Strahlen mit hoher Kohärenz, Monochromasie und Helligkeit. Laser finden breite Anwendung in der modernen Technologie, unter anderem in Bereichen wie Kommunikation, Medizin, Fertigung, Messtechnik und wissenschaftlicher Forschung. Ihre hohe Effizienz und präzisen Steuerungseigenschaften machen sie zum Kernelement vieler Technologien. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erläuterung der Funktionsprinzipien von Lasern und der Mechanismen verschiedener Lasertypen.
1. Stimulierte Emission
Stimulierte Emissionist das grundlegende Prinzip der Lasererzeugung, das erstmals 1917 von Einstein beschrieben wurde. Dieses Phänomen beschreibt, wie durch die Wechselwirkung zwischen Licht und angeregter Materie kohärentere Photonen entstehen. Um die stimulierte Emission besser zu verstehen, beginnen wir mit der spontanen Emission:
Spontane Emission: In Atomen, Molekülen oder anderen mikroskopischen Teilchen können Elektronen externe Energie (wie elektrische oder optische Energie) aufnehmen und in ein höheres Energieniveau, den sogenannten angeregten Zustand, übergehen. Angeregte Elektronen sind jedoch instabil und kehren nach kurzer Zeit in ein niedrigeres Energieniveau, den sogenannten Grundzustand, zurück. Dabei gibt das Elektron ein Photon ab, eine spontane Emission. Solche Photonen sind hinsichtlich Frequenz, Phase und Richtung zufällig und weisen daher keine Kohärenz auf.
Stimulierte EmissionDer Schlüssel zur stimulierten Emission liegt darin, dass ein angeregtes Elektron, wenn es auf ein Photon trifft, dessen Energie seiner Übergangsenergie entspricht, das Photon das Elektron dazu veranlassen kann, in den Grundzustand zurückzukehren und dabei ein neues Photon freizusetzen. Das neue Photon ist hinsichtlich Frequenz, Phase und Ausbreitungsrichtung mit dem ursprünglichen identisch, was zu kohärentem Licht führt. Dieses Phänomen verstärkt die Anzahl und Energie der Photonen deutlich und ist der Kernmechanismus von Lasern.
Positiver Rückkopplungseffekt der stimulierten Emission: Beim Laserdesign wird der Prozess der stimulierten Emission mehrfach wiederholt, und dieser positive Rückkopplungseffekt kann die Anzahl der Photonen exponentiell erhöhen. Mithilfe eines Resonanzhohlraums wird die Kohärenz der Photonen aufrechterhalten und die Intensität des Lichtstrahls kontinuierlich erhöht.
2. Gain Medium
DerVerstärkung mittelist das Kernmaterial des Lasers, das die Photonenverstärkung und die Laserleistung bestimmt. Es bildet die physikalische Grundlage für die stimulierte Emission, und seine Eigenschaften bestimmen Frequenz, Wellenlänge und Ausgangsleistung des Lasers. Art und Eigenschaften des Verstärkungsmediums wirken sich direkt auf Anwendung und Leistung des Lasers aus.
Anregungsmechanismus: Elektronen im Verstärkungsmedium müssen durch eine externe Energiequelle auf ein höheres Energieniveau angeregt werden. Dieser Prozess wird üblicherweise durch externe Energieversorgungssysteme erreicht. Gängige Anregungsmechanismen sind:
Elektrisches Pumpen: Anregung der Elektronen im Verstärkungsmedium durch Anlegen eines elektrischen Stroms.
Optisches Pumpen: Anregung des Mediums mit einer Lichtquelle (z. B. einer Blitzlampe oder einem anderen Laser).
Energieniveausystem: Elektronen im Verstärkungsmedium sind typischerweise in bestimmten Energieniveaus verteilt. Die häufigsten sindZwei-Ebenen-SystemeUndVier-Ebenen-SystemeIn einem einfachen Zwei-Niveau-System wechseln Elektronen vom Grundzustand in den angeregten Zustand und kehren dann durch stimulierte Emission in den Grundzustand zurück. In einem Vier-Niveau-System durchlaufen Elektronen komplexere Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus, was oft zu einer höheren Effizienz führt.
Arten von Gain-Medien:
Gasgewinnmittel: Beispielsweise Helium-Neon-Laser (He-Ne). Gasverstärkungsmedien sind für ihre stabile Leistung und feste Wellenlänge bekannt und werden in Laboren häufig als Standardlichtquellen verwendet.
Flüssiges Verstärkungsmedium: Zum Beispiel Farbstofflaser. Farbstoffmoleküle haben gute Anregungseigenschaften über verschiedene Wellenlängen hinweg und eignen sich daher ideal für abstimmbare Laser.
Solid Gain Medium: Beispielsweise Nd-Laser (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat). Diese Laser sind hocheffizient und leistungsstark und werden häufig in industriellen Schneid-, Schweiß- und medizinischen Anwendungen eingesetzt.
Halbleiterverstärkung mittel: Beispielsweise werden Galliumarsenidmaterialien (GaAs) häufig in Kommunikations- und optoelektronischen Geräten wie Laserdioden verwendet.
3. Resonatorhohlraum
DerResonatorhohlraumist eine Strukturkomponente im Laser, die für Rückkopplung und Verstärkung verwendet wird. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Anzahl der durch stimulierte Emission erzeugten Photonen zu erhöhen, indem sie im Resonator reflektiert und verstärkt werden. Dadurch entsteht eine starke und fokussierte Laserleistung.
Aufbau des Resonatorhohlraums: Es besteht normalerweise aus zwei parallelen Spiegeln. Einer ist ein voll reflektierender Spiegel, bekannt alsRückspiegel, und der andere ist ein teilweise reflektierender Spiegel, bekannt alsAusgangsspiegel. Photonen werden innerhalb des Hohlraums hin und her reflektiert und durch die Wechselwirkung mit dem Verstärkungsmedium verstärkt.
Resonanzzustand: Das Design des Resonators muss bestimmte Bedingungen erfüllen, beispielsweise die Bildung von stehenden Wellen durch Photonen im Resonator. Dazu muss die Resonatorlänge ein Vielfaches der Laserwellenlänge betragen. Nur Lichtwellen, die diese Bedingungen erfüllen, können im Resonator effektiv verstärkt werden.
Ausgangsstrahl: Der teilreflektierende Spiegel lässt einen Teil des verstärkten Lichtstrahls durch und bildet so den Ausgangsstrahl des Lasers. Dieser Strahl weist eine hohe Richtwirkung, Kohärenz und Monochromatizität auf..
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Veröffentlichungszeit: 18. September 2024