ablehnen

Diese Seite verwendet Cookies um Daten zu speichern und Werbeeinblendungen zu steuern. Lesen Sie die Hinweise zum Datenschutz für mehr Information. Klicken Sie auf "akzeptieren" oder "ablehnen" um der Datenspeicherung zuzustimmen bzw. zu Widersprechen.

akzeptieren

MENUE

Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Wie funktioniert ein Laser?

Der Laser hat in den letzten Jahren in vielen Bereichen der Technik und der Medizin Einzug gehalten. Neben den mittlerweile allgegenwätigen Laserpointern findet man ihn vor allem in CD- und DVD-Playern. Außerdem werden Laser zur Messung von Entfernungen und zum Anpeilen von weit entfernt liegenden Punkten, zur Datenübertragung und vielem anderen mehr benutzt. In der Medizin werden Laser unter anderem immer öfter im Operationssaal eingesetzt. Aber was ist eigentlich ein Laser? Handelt es sich bei einem Laser einfach um eine besondere Art von Glühlampe oder ist ein Laser womöglich eine völlig andere Lichtquelle? Letzteres ist der Fall. Mit einer Glühlsmpe hat der Laser ungefähr nichts gemeinsam, wenn man mal von der Tatsache absieht, dass sie beide irgendwie mit Licht zu tun haben. Die Technik dieses Licht zu erzeugen und auch die "Art" des Lichts sind völlig verschieden.

Das Laserlicht

Was ist eigentlich Licht? Diese Frage wurde in der Geschichte der Physik kontrovers diskutiert und bis heute gibt es keine Antwort unter der sich ein Normalsterblicher etwas vorstellen könnte. Zwar wissen die Physiker heute recht genau, wie sie Licht mathematisch beschreiben sollen, aber ein anschauliches Modell, dass geeignet ist, alle Licht-Phänomene zu beschreiben, gibt es nicht so richtig. Bis heute wird je nach Phänom ein eigenes Modell benutzt. Möchte man die Wechselwirkung von Licht mit Materie im Sinne einer Energieübertragung beschreiben, wie sie etwa beim Zusammenstoß; zweier Körper zu beobachten ist, so wird häufig auf eine Art "Teilchenmodell" zurückgegriffen. Betrachtet man dagegen Interferenz oder Beugungs-Phänomene, etwa das Schillern einer Benzinschicht auf einer Pfütze, so benutzt man häufig ein "Wellenmodell" zur Veranschaulichung. (vgl. Licht)

Das Laserlicht hat einige ungewöhnliche Eigenschaften. Das Laserlicht ist:

D. h. jedes Lichtteilchen (Photon) eines Laserstrahls ist eine genaue Kopie jedes anderen Photons dieses Strahls. Alle Photonen sind also gleich. Bei dem Licht einer normalen Glühbirne oder auch einer Halogenlampe ist das nicht der Fall. Hier wird die genaue Form eines Photons überwiegend vom Zufall bestimmt und in einem Lichtstrahl gibt es vermutlich keine zwei absolut identischen Photonen. Normales Licht ist vollkommen "ungeordnet", während Laserlicht wahnsinnig "geordnet" ist.

eine Sinuskurve
Eine Sinuskurve zur Veranschaulichung einer Lichtwelle

In beiden Fällen entspricht die "Lichtwelle" etwa der abgebildeten Sinuskurve. Ein Photon kann man sich nun vorstellen, wie eine solche Welle, ähnlich einer Wasserwelle, die sich durch den Raum bewegt. Bei Glühlampenlicht sind diese Wellen alle verschieden "lang", haben alle eine andere Richtung und die Berge sind verschieden weit von der Lichtquelle entfernt. Bei Laserlicht sind alle Wellen gleich, bewegen sich in die absolut gleiche Richtung und alle Wellenberge entstehen in der gleichen Entfernung von der Lichtquelle.

Das Wort Laser ist eigentlich eine Abkürzung des englischen Ausdrucks "ligth amplification by stimulated emission of radiation". In diesem englischen Ausdruck liegt schon fast die vollständige Ursache der Eigenheiten des Laserlichts verborgen.

Funktionsweise von Lasern

Grundlage des Laserprozesses ist die erzwungene Emission. Um zu verstehen, was das ist, muss man sich zunächst ein wenig mit den Wechselwirkungen zwischen Materie und elektromagetischer Strahlung (z.B. Licht) beschäftigen. Zwischen Atomen oder Molekülen und Strahlung kann man grob drei verschiedene Formen der Wechselwirkung unterscheiden:

  1. Absorption: Ein Atom oder Molekül absorbiert ein Photon (Lichtportion), wodurch es in einen Zustand höherer Energie übergeht.
  2. Spontane Emission: Ein Atom oder Molekül, dass sich nicht im niedrigst möglichen Energiezustand befindet, emittiert ein Photon wodurch es in einen Zustand geringer Energie zurück fällt.
  3. Stimulierte bzw. erzwungene Emission: Falls sich ein Atom oder Molekül in einem anderem als dem niedrigsten Energiezustand befindet und von einem Photon "passender" Energie getroffen wird, kann es in einen tieferen Zustand gezwungen werden. Dabei wird ein weiteres Photon derselben Richtung, Wellenlänge und Phase wie das auftreffende emittiert.
Darstellung eines einfachen Atoms
         im Schalenmodell
Schalenmodell

Die Abbildung rechts zeigt schematisch, was bei der Energieaufnahme beispielsweise passieren kann. Im gezeigten Beispiel wird ein Elektron (grün dargestellt) durch Energiezufuhr (nicht dargestellt) auf eine weiter vom Atomkern entfernte Schale angehoben (durch den gelben Pfeil dargestellt). Da der Zustand mit dem Elektron auf der weiter außen liegenden Schale instabil ist, wird das Elektron früher oder später auf die tiefere Schale zurück fallen. Die dabei frei werdende Energie wird dann in Form einer einzigen Lichtportion (Photon) ausgesandt. Die Richtung des Lichts ist allerdings zufällig. Dies wäre dann eine spontane Emission. Alternativ könnte das angeregte Elektron, d.h. das Elektron, dass sich auf der "äußeren" Schale befindet, auch zufällig von einem Photon getroffen werden, dass von einem identischen Atome durch spontane Emission ausgesandt wurde. In diesem Fall würde das getroffene Elektron quasi durch dieses Photon zurück auf die tiefere Schale gestoßen. Dabei würde ein weiteres Photon entstehen, dass eine genaue Kopie des ersten ist. Dies wäre dann eine erzwungene Emission.

Damit dürfte schon fast klar sein, wie ein Laser funktioniert. Das "Kopieren" der Photonen bei der erzwungenen Emission wird ausgenutzt, um den Laserstrahl zu erzeugen. In einem Lasermedium, z.B. einem Gas, werden die Atome oder Moleküle durch einfallende Photonen zu stimulierten Emissionsprozessen gezwungen. Je intensiver das einfallende Licht, desto hüufiger sind die stimulierten Emissionsprozesse. Umgekehrt wird der Strahl umso intensiver, je mehr Emissionsprozesse stattfinden - ein selbst verstärkender Effekt, solange genügend Atome oder Moleküle im höheren Energieniveau vorhanden sind.

Dadurch ist auch erklärt, warum das Laserlicht diese speziellen Eigenschaften aufweist. Da jedes Photon immer nur Emission von Photonen erzwingen kann, die eine exakte Kopie des Erreger-Photons darstellen, besteht das Problem eigentlich nur noch darin, alle Photonen des Laserstrahls durch "kopieren" eines einzigen "Startphotons" zu erzeugen. Da nun die erzwungene Emission ein recht schneller, sich selbst verstärkender Prozess ist, löst sich dieses Problem aber quasi von selbst, insbesondere auch, da Photonen, die nicht genau parallel zur Achse des Gerätes emittiert werden,d.h. sich nicht exakt Richtung Austrittsöffnung bewegen,, sehr schnell an den Wänden vernichtet werden und dann nicht mehr als "Erreger" zur Verfügung stehen. Die Photonen werden dabei ständig zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert, sodass der Lichtstrahl sich permanent verstärkt. Da nun einer dieser Spiegel etwas durchlässig ist, verlässt ein Teil der Photonen als Laserstrahl das Gerät, während der Rest weiter Kopien von sich selbst erzeugt.

Die Bedingung das Funktionieren des Lasers ist allerdings, dass im Lasermedium die Mehrzahl der Atome oder Moleküle sich in einem anderen als dem niedrigsten Energiezustand befinden muss, was normalerweise nicht der Fall ist. Dieser Inversion genannte Zustand ist nicht ohne weiteres zu erreichen. Die Atome oder Moleküle müssen "gepumpt" werden, was durch Einstrahlen von gewöhnlichem Licht oder durch Stöße geschehen kann. Damit dieses Pumpen funktionieren kann, ist ein weiterer Energiezustand über dem, aus dem der eigentliche Laserprozess hervorgeht erforderlich. Die Atome oder Moleküle werden dann durch Pumpen in diesen höheren, kurzlebigen Zustand angeregt und fallen von dort sehr schnell in den für den Laserprozess nötigen Zustand zurück. Wäre dies nicht der Fall, würde schon durch den Pumpprozess die Emission erzwungen, denn die Energie die zum Pumpen benutzt würde entspräche dann genau der Energie, die zum erzwingen der Emission erforderlich ist. Die Inversion wäre unter diesen Umständen nicht zu erreichen. Noch einfacher wird die Inversion, wenn der Laserprozess beim Übergang von einem angeregten Zustand in einen darunter liegenden, ebenfalls angeregten Zustand stattfindet. Der Grund hierfür ist, dass der untere angeregte Zustand normalerweise nicht sehr stark besetzt ist (anders als der Grundzustand), weshalb hier eine Inversion sehr leicht zu erreichen ist, da nur verhältnismäßig wenige Teilchen in den Zustand über diesem überführt werden müssen, um eine Umkehrung der Besetzungszahlen zu erreichen. Da diese Anregung auch vom Grundzustand aus erfolgen kann, stehen gleichzeitig sehr viele Teilchen zur Anregung zur Verfügung.

Aufbau des Lasers

Das Lasermedium befindet sich in der Regel in einem Hohlraum zwischen zwei Spiegeln, von denen einer halbdurchlässig ist. Wenn nun ein Atom oder Molekül spontan ein Photon emittiert, so wird dieses zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert und stimuliert dabei andere Atome bzw. Moleküle zur Emission. Diese Photonen, die eine genaue Kopie des Startphotons darstellen, stimulieren nun ihrerseits wieder die Emission weiterer Photonen, so dass sich schnell eine Energiekaskade aufbaut.

Bei einigen Lasern wird während der Emission weiter "gepumpt", so dass ein kontinuierlicher Strom von Photonen entsteht. Diese Laser werden CW-Laser (continuos wave laser) genannt. Bei anderen Lasern erfolgen Pumpen und Emission zu verschiedener Zeit, wodurch gepulste Laserstrahlung mit z. T. extrem kurzen Pulsen im Femtosekundenbereich (0,000.000.000.000.001 Sekunden) entsteht.