Das grundlegende Funktionsprinzip eines Lasers (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) 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, beispielsweise in der Kommunikation, Medizin, Fertigung, Messtechnik und Forschung. Ihre hohe Effizienz und präzisen Steuerungsmöglichkeiten machen sie zu einem Kernbestandteil vieler Technologien. Im Folgenden werden die Funktionsprinzipien von Lasern und die Mechanismen verschiedener Lasertypen detailliert erläutert.
1. Stimulierte Emission
Stimulierte EmissionDas ist das grundlegende Prinzip der Lasererzeugung, das Einstein 1917 erstmals vorschlug. Dieses Phänomen beschreibt, wie durch die Wechselwirkung von Licht mit angeregter Materie kohärentere Photonen erzeugt werden. Um die stimulierte Emission besser zu verstehen, beginnen wir mit der spontanen Emission:
Spontane EmissionIn Atomen, Molekülen oder anderen mikroskopischen Partikeln können Elektronen externe Energie (z. B. elektrische oder optische Energie) absorbieren und in einen höheren Energiezustand, den sogenannten angeregten Zustand, übergehen. Angeregte Elektronen sind jedoch instabil und kehren nach kurzer Zeit in einen niedrigeren Energiezustand, den Grundzustand, zurück. Dabei emittiert das Elektron ein Photon – eine spontane Emission. Diese 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 mit einer Energie trifft, die seiner Übergangsenergie entspricht, durch dieses Photon in den Grundzustand zurückkehren und dabei ein neues Photon freisetzen kann. Dieses neue Photon ist hinsichtlich Frequenz, Phase und Ausbreitungsrichtung identisch mit dem ursprünglichen Photon, wodurch kohärentes Licht entsteht. Dieses Phänomen verstärkt die Anzahl und Energie der Photonen erheblich und ist der Kernmechanismus von Lasern.
Positiver Rückkopplungseffekt der stimulierten EmissionBei der Laserkonstruktion wird der Prozess der stimulierten Emission mehrfach wiederholt, wodurch die Anzahl der Photonen durch diesen positiven Rückkopplungseffekt exponentiell ansteigt. Mithilfe eines Resonators bleibt die Kohärenz der Photonen erhalten, und die Intensität des Lichtstrahls wird kontinuierlich erhöht.
2. Mittlere Verstärkung
Dermittlere VerstärkungDas Verstärkungsmedium ist das Kernmaterial des Lasers, das die Verstärkung der Photonen und die Laserleistung bestimmt. Es bildet die physikalische Grundlage für die stimulierte Emission, und seine Eigenschaften legen Frequenz, Wellenlänge und Ausgangsleistung des Lasers fest. Art und Eigenschaften des Verstärkungsmediums beeinflussen Anwendung und Leistung des Lasers unmittelbar.
ErregungsmechanismusDie Elektronen im Verstärkungsmedium müssen durch eine externe Energiequelle auf ein höheres Energieniveau angeregt werden. Dieser Prozess wird üblicherweise durch externe Energieversorgungssysteme realisiert. Gängige Anregungsmechanismen sind:
Elektrische 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).
EnergiesystemDie Elektronen im Verstärkungsmedium sind typischerweise auf bestimmte 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 häufig zu einer höheren Effizienz führt.
Arten von Verstärkungsmedien:
Gasgewinn mittelBeispielsweise Helium-Neon-Laser (He-Ne-Laser). Gasverstärkungsmedien sind bekannt für ihre stabile Ausgangsleistung und feste Wellenlänge und werden in Laboren häufig als Standardlichtquellen eingesetzt.
Flüssiges VerstärkungsmediumBeispielsweise Farbstofflaser. Farbstoffmoleküle weisen gute Anregungseigenschaften über verschiedene Wellenlängen auf und eignen sich daher ideal für abstimmbare Laser.
Solide VerstärkungBeispielsweise Nd-Laser (Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Laser). Diese Laser sind hocheffizient und leistungsstark und finden breite Anwendung beim industriellen Schneiden, Schweißen und in der Medizintechnik.
Halbleiter-VerstärkungsmediumBeispielsweise werden Galliumarsenid (GaAs)-Materialien in großem Umfang in Kommunikations- und optoelektronischen Geräten wie Laserdioden eingesetzt.
3. Resonatorhohlraum
DerResonatorhohlraumist eine Strukturkomponente des Lasers, die zur Rückkopplung und Verstärkung dient. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Anzahl der durch stimulierte Emission erzeugten Photonen zu erhöhen, indem sie diese im Resonator reflektiert und verstärkt, wodurch ein starker und fokussierter Laserstrahl erzeugt wird.
Aufbau des ResonatorhohlraumsEs besteht üblicherweise aus zwei parallelen Spiegeln. Einer davon ist ein vollständig reflektierender Spiegel, der als Hauptspiegel bezeichnet wird.RückspiegelDer andere ist ein teilreflektierender Spiegel, bekannt als derAusgangsspiegelDie Photonen werden innerhalb des Resonators hin und her reflektiert und durch die Wechselwirkung mit dem Verstärkungsmedium verstärkt.
ResonanzbedingungDie Konstruktion des Resonators muss bestimmte Bedingungen erfüllen, beispielsweise die Ausbildung stehender Wellen im Inneren. Dies erfordert, dass die Resonatorlänge ein Vielfaches der Laserwellenlänge beträgt. Nur Lichtwellen, die diese Bedingungen erfüllen, können im Resonator effektiv verstärkt werden.
AusgangsstrahlDer teilreflektierende Spiegel lässt einen Teil des verstärkten Lichtstrahls durch und formt so den Ausgangsstrahl des Lasers. Dieser Strahl zeichnet sich durch hohe Richtwirkung, Kohärenz und Monochromasie aus..
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Veröffentlichungsdatum: 18. September 2024