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Laser: Aufbau und Funktionsweise

Laser: Aufbau und Funktionsweise

 Josephine Gewand
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Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch
stimulierte Emission von Stra
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Josephine Gewand Aufbau Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) ● Pumpe o Lasermedium O dient der Verstärkung des Laserlichts durch stimulierte Emission O Voraussetzung: Nstimuliert > Nabsorbiert (N-Anzahl der Photonen) O stimulierte Emission genauso häufig wie Absorption -> mehr angeregte Atome als nicht angeregte (Besetzungsinversion) 12-1 Funktion bringt Energie ins System um Besetzungsinversion zu erzeugen o optisches Pumpen: Anregung durch O Resonator O Lichteinstrahlung z. B. elektrische Prozesse, Wärme, Stöße mit Teilchen, chemische Reaktionen Medium Beginn: O Lasermedium zwischen zwei Spiegeln angeordnet O Besetzungsinversion wird durch Pumpe hergestellt und beibehalten o spontane Emission von Photonen Stimulierte Emission: Problem: freie Photonen haben zufällige Richtung o Anordnung zweier Spiegel O 1: parallele Spiegel-> Licht ausgerichtet O 2: richtiger Spiegelabstand -> stehende Welle -> Licht optimal verstärkt (konstruktive Interferenz) O 3: Teilweise reflektierender Spiegel -> Austritt des Lasers Spiegel Bestandteile_eines_Lasers_Bild_1.svg[8.1.2021]. 8.1.2021 Resonator Abbildung 1: Bestandteile eines Lasers O Photonen durch Spiegel zurück auf das Medium geworfen O Photonen erreichen stimulierte Emission Bestandteile_eines_Lasers_Bild_3.svg[8.1.2021]. O Verstärkung des Lasers durch mehr Photonen und Interferenz Laser: ○ Teildurchlässiger Spiegel lässt Photonen ausdringen O Laser verliert Energie O nutzbares Laserlicht Quellen: [1]: URL:https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/ [2]: URL: https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/ Abbildung 2: Resonanz Pumpe pof stehende Lichtwelle Aufbau und Funktionsweise eines Lasers "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" Allgemeines: Kohärente, stark gebündelte elektromagnetische Strahlung Hohe Intensität Enges Frequenzband Monochromatisch (nur eine Wellenlänge) Aufbau: Drei Komponenten: Lasermedium, Pumpe, Resonator Lasermedium: O Bestimmt weitgehend Eigenschaften des Lasers O Material → eignet sich zur Erzeugung von Laserlicht durch stimulierte Emission O Stimulierte Emission: Emission eines Photons, wenn sie nicht spontan erfolgt → O elektromagnetischen Strahlungsfeldes der...

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gleichen Frequenz spontane Emission: Aussendung von Photonen beim Übergang zwischen Zuständen von Atomen oder Molekülen mit unterschiedlicher Energie ➜ Zeitpunkt nicht vorhersagbar Festkörper (z.B. Kristall), Flüssigkeiten (z.B. Farbstofflösungen), Gase (z.B. Helium-Neon-Gemisch) möglich O Erzeugung von Photonen durch optische Übergänge in angeregten Atomen oder Molekülen → Übergänge in energetisch günstigere Zustände Voraussetzung: Besetzungsinversion muss hergestellt werden O durch ein anderes Photon ausgelöst ■ O angeregtes Atom oder Molekül unter Anwesenheit eines ■ Energieniveaus = Energieeigenwerte quantenmechanischer Systeme Oberer Zustand des optischen Übergangs ist mit höherer Wahrscheinlichkeit besetzt als der untere N stimuliert>Nabsorbiert Muss mindestens drei Energieniveaus besitzen ■ Nur bei bestimmten Medien durch Ausnutzung spezieller atomarer Eigenschaften möglich Zahl der durch stimulierte Emission entstandenen Photonen pro Zeiteinheit größer als Zahl der durch Lasermedium pro Zeiteinheit absorbierten Photonen O Pumpe: O Führt Besetzungsinversion durch Einbringung von Energie in das System herbei → stimulierte Emission O Art der Anregungsenergie abhängig vom Lasermedium Lichteinstrahlung (optisches Pumpen), elektrische Prozesse, Wärme, Stöße mit anderen Teilchen, chemische Reaktionen Laserresonator: O Emissionsrate und Eigenschaften der Photonen festgelegt O Reflektierende Wände (Spiegel) → Strahlung des Lasers wird innerhalb des optischen Resonators hin- und her reflektiert Photonen müssen senkrecht zu Wänden propagieren Medium wird von einzelnen Photonen mehrmals durchlaufen → Emissionen weiter stimuliert → Lichtverstärkung ermöglicht O Überlagerungen von Teilwellen → konstruktiv, wenn Wellenlänge des Strahlungsfeldes ein Vielfachen des doppelten Spiegelabstandes beträgt, sonst destruktiv → Wellenlängenselektion O Einschränkung der Ausbreitungsrichtung und der Frequenz des Lichtes Funktionsweise: Anregung von Atomen oder Molekülen auf höhere Energieniveaus → Laserstrahl Energieniveaus haben möglichst lange mittlere Zerfallszeit → Wahrscheinlichkeit spontaner Emission so gering wie möglich → Energie des Pumpvorgangs länger erhalten Pumpen → Besetzungsinversion → mehr Teilchen im angeregten Zustand Stimulation durch Photon → angeregtes Atom zurück in Grundzustand Emission eines Photons mit gleicher Richtung und gleicher Energie wie das erzeugende Photon (gleiche Frequenz und Wellenlänge) Reflexion der Photonen im Resonator Mehrfaches Durchlaufen des Mediums → Kettenreaktion → Entstehung mehrerer Photonen → erzeugen mehr Auslenkung des Laserstrahls durch Durchlässigkeit einer Seite im Resonator → weitere Reflexion und Emissionen Bündelung → „typischer“ Laserstrahl Quellen: [1] URL: https://www.leifiphysik.de/atomphysik/laser [2] URL: https://studyflix.de/physik/laser-1838 [3] URL: https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/licht/konventionelle-laser/wie- funktioniert-ein-laser/ [4] URL: https://www.keyence.de/ss/products/marking/lasermarker/knowledge/principle.jsp Alles Stand 8.1.2021

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