Physik · Klasse 12–13 · aktualisiert
Laser: Aufbau und stimulierte Emission
Du verfolgst den Weg vom angeregten Lasermedium über stimulierte Emission und Resonator bis zum austretenden Strahl.
0 von 11 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Ein Laser verstärkt Licht durch stimulierte Emission. Eine Pumpe baut im Lasermedium eine Besetzungsinversion auf; Spiegel führen passendes Licht wiederholt hindurch. Ein teildurchlässiger Spiegel koppelt einen Teil des verstärkten Lichts aus.
Ein Laser verstärkt Licht durch stimulierte Emission. Eine Pumpe erzeugt im Lasermedium eine Besetzungsinversion, Spiegel führen passende Lichtwellen mehrfach durch das Medium, und ein teildurchlässiger Spiegel gibt den Laserstrahl frei.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Gebundene Zustände von Atomen und Molekülen können nur bestimmte Energien besitzen. Der Grundzustand ist der Zustand niedrigster Energie. Nach einer Energiezufuhr kann ein Teilchen in einem angeregten Zustand sein.
Die stimulierte Emission liefert zu einem einfallenden Photon ein zweites mit passenden Eigenschaften. Dadurch kann Licht verstärkt werden.
Definition
Absorption
Bei der Absorption nimmt ein Teilchen in einem unteren Energiezustand ein Photon passender Energie auf. Das Photon verschwindet, und das Teilchen gelangt in einen höheren Energiezustand.
Definition
Spontane Emission
Ein angeregtes Teilchen fällt ohne einfallendes Photon in einen niedrigeren Energiezustand. Dabei entsteht ein Photon. Zeitpunkt und Abstrahlrichtung sind nicht vorhersagbar.
Definition
Stimulierte Emission
Ein Photon passender Energie trifft auf ein angeregtes Teilchen und löst dessen Übergang in einen niedrigeren Zustand aus. Dabei entsteht ein zweites Photon mit gleicher Energie, Frequenz, Phase, Ausbreitungsrichtung und Polarisation.
Teste dich
Bei einem Übergang mit Licht zwischen einem unteren Niveau E_1 und einem oberen Niveau E_2 ist die Energiedifferenz entscheidend:
\Delta E=E_2-E_1=hf
Dabei ist h das Plancksche Wirkungsquantum und f die Frequenz des Photons. Für Licht im Vakuum gilt:
c=\lambda f
c ist die Lichtgeschwindigkeit und \lambda die Vakuumwellenlänge.
Eine größere Energiedifferenz bedeutet eine größere Frequenz. Bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit gehört dazu eine kleinere Wellenlänge. Eine kleinere Energiedifferenz bedeutet eine kleinere Frequenz und eine größere Wellenlänge.
Beispiel: Rotes Licht eines Helium-Neon-Lasers
- 1Ein roter Helium-Neon-Laser hat in Luft eine Wellenlänge von ungefähr 632{,}8\,\mathrm{nm}. Für die Rechnung mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit verwenden wir gerundet \lambda=633\,\mathrm{nm} im Vakuum.
- 2Im SI gelten exakt c=299\,792\,458\,\mathrm{m/s} und h=6{,}626\,070\,15\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\,s}. Für die Rechnung verwenden wir gerundet c\approx3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s} und h\approx6{,}63\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\,s}.
- 3Die Vakuumwellenlänge ist 633\,\mathrm{nm}=6{,}33\cdot10^{-7}\,\mathrm{m}.
- 4Für die Frequenz gilt f=c/\lambda. Einsetzen mit Einheiten ergibt:
- 5f\approx\frac{3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s}}{6{,}33\cdot10^{-7}\,\mathrm{m}}
- 6f\approx4{,}739\cdot10^{14}\,\mathrm{s^{-1}}
- 7Für die Photonenergie gilt E=hf. Mit dem ungerundeten Quotienten für f folgt:
- 8Setze h\approx6{,}63\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\,s} und den ungerundeten Frequenzwert f\approx4{,}739336\ldots\cdot10^{14}\,\mathrm{s^{-1}} in E=hf ein.
- 9E\approx3{,}14\cdot10^{-19}\,\mathrm{J}
- 10Das Endergebnis ist auf drei signifikante Stellen gerundet. Bei c/\lambda bleibt \mathrm{s^{-1}}, bei hf bleibt Joule.
Teste dich
In einem gewöhnlichen Medium befinden sich mehr Teilchen im unteren als im oberen Zustand. Dann werden viele Photonen absorbiert. Eine dauerhafte Lichtverstärkung ist so nicht möglich. Eine Pumpe führt dem Medium Energie zu. Das kann beispielsweise durch Licht oder eine elektrische Gasentladung geschehen. Geeignete Lasermedien besitzen mindestens drei Energieniveaus. Ein wichtiges Zwischenniveau ist metastabil: Die Teilchen bleiben dort vergleichsweise lange. So können sich genügend angeregte Teilchen ansammeln. Ein reines Zwei-Niveau-System kann keine dauerhafte Besetzungsinversion erzeugen, weil Absorption und stimulierte Emission einander entgegenwirken.
Definition
Besetzungsinversion
Bei einer Besetzungsinversion befinden sich mehr Teilchen im oberen als im unteren Zustand des verwendeten Laserübergangs. Dadurch kann stimulierte Emission die Absorption überwiegen.
Merke: Viele angeregte Teilchen allein reichen nicht. Für den Laserübergang muss der obere Zustand stärker besetzt sein als der untere.
Teste dich
Der hier betrachtete Laser arbeitet mit Pumpe, Lasermedium und Resonator. Die Tabelle beschreibt ihre Aufgaben.
Nur Wellen, die zum Resonator passen, werden bei den Umläufen besonders verstärkt. Dabei bezeichnet \lambda die Wellenlänge im Resonator. Für eine stehende Welle gilt bei der idealisierten Resonatorbedingung:
L=q\frac{\lambda}{2}\quad\text{mit}\quad q=1,2,3,\ldots
Die zulässigen Schwingungsformen heißen Moden.
Laserlicht lässt sich häufig stark bündeln und kann über längere Strecken eine feste Phasenbeziehung behalten. Diese Eigenschaft heißt Kohärenz. Im Fokus sind hohe Leistungsdichten möglich.
Reale Laser können mehrere Moden und damit mehrere nahe Frequenzen besitzen. Ihre spektrale Bandbreite ist endlich. Ein Laserstrahl weitet sich durch Beugung auf. Die genauen Eigenschaften hängen von Medium, Resonator und weiteren Bauteilen ab.
Laser werden unter anderem für Datenübertragung, Messtechnik, Medizin und Materialbearbeitung genutzt. Bei der Materialbearbeitung absorbiert ein Werkstück die fokussierte Strahlung. Es erwärmt sich und kann je nach Energieeintrag markiert, graviert, abgetragen oder geschnitten werden.
Sicherheitsregel: Blicke nicht in einen Laserstrahl und richte ihn nicht auf Menschen oder Tiere. Schon Leistungen im Milliwattbereich können das Auge schädigen, weil die Augenlinse den Strahl auf die Netzhaut fokussiert. Richte den Strahl auch nicht auf spiegelnde Flächen: Reflektiertes Licht kann gefährlich sein.
| Bestandteil | Aufgabe |
|---|---|
| Pumpe | Führt Energie zu und ermöglicht die Besetzungsinversion. |
| Lasermedium | Enthält die Teilchen, an denen stimulierte Emission stattfindet. |
| Resonator | Führt geeignetes Licht mithilfe zweier Spiegel wiederholt durch das Medium. |
Beispiel: Der Ablauf lässt sich in fünf Schritten verfolgen
- 1Die Pumpe regt Teilchen im Lasermedium an.
- 2In geeigneten Energieniveaus entsteht eine Besetzungsinversion.
- 3Ein Photon passender Energie löst stimulierte Emission aus.
- 4Die Spiegel führen das Licht mehrfach durch das Medium. Weitere gleichartige Photonen entstehen.
- 5Ein teildurchlässiger Spiegel lässt einen Teil des verstärkten Lichts als Laserstrahl austreten.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Laser
Photonprozesse
Absorption nimmt Licht auf, Emission gibt Licht ab.
Stimulation
Ein passendes Photon löst ein gleichartiges zweites aus.
Pumpe
Die Energiezufuhr ermöglicht eine Besetzungsinversion.
Resonator
Spiegel verstärken passende Moden durch Rückkopplung.
Auskopplung
Ein teildurchlässiger Spiegel lässt Licht austreten.
Sicherheit
Strahl und Spiegelungen bleiben von Augen fern.
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Photonenergie einer Laserlinie
- 1Für eine gedachte Laserlinie im Vakuum sei \lambda=500\,\mathrm{nm}=5{,}00\cdot10^{-7}\,\mathrm{m}.
- 2Wir verwenden c\approx3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s} und h=6{,}626\,070\,15\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\,s}.
- 3Die Frequenz folgt aus f=c/\lambda:
- 4f\approx\frac{3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s}}{5{,}00\cdot10^{-7}\,\mathrm{m}}
- 5f\approx6{,}00\cdot10^{14}\,\mathrm{s^{-1}}
- 6Die Photonenergie folgt aus E=hf:
- 7Setze h=6{,}626\,070\,15\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\,s} und f\approx6{,}00\cdot10^{14}\,\mathrm{s^{-1}} in E=hf ein.
- 8E\approx3{,}98\cdot10^{-19}\,\mathrm{J}
- 9Das Ergebnis ist auf drei signifikante Stellen gerundet.
Fehler finden
Was geschieht nach dem Abschalten der Pumpe? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die Spiegel liefern keine Energie. Nach dem Abschalten der Pumpe wird die Besetzungsinversion abgebaut; die dauerhafte Verstärkung endet.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Die führt Energie zu. Dadurch kann eine entstehen. Im Resonator vermehrt die passende Photonen. Durch den teildurchlässigen Spiegel tritt der nutzbare Strahl aus.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback