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Quantenmechanik 11: Wie funktioniert ein Laser?
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 49 Zeilen
- der Laser ist eine Entwicklung die auf den Erkenntnissen der Quantenmechanik beruht wenn es mit einem schnippen plötzlich keine Laser mehr gebe würde
- die Welt ins absolute Chaos fallen warum weil z.B die weltumspannende heißbeit Datenübertragung durch Glasfaserkabel mit Hilfe von Laserlicht erfolgt was ist
- aber das Besondere an diesem Laserlicht und wie wird es erzeugt und warum hat dabei die Quantenmechanik ihre Finger im Spiel
- [Musik] das Wort Laser ist ein Akronym besteht also aus den Anfangsbuchstaben mehrere
- Wörter es steht für light amplification by stimulated emission of radiation also Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung damit ist die
- Arbeitsweise eines Lasers bereits sehr exakt umrissen was versteht man aber unter einer stimulierten
- Emission ein Elektronen im Atom kann ein Photon mit passender Energie aufnehmen und dadurch auf ein höheres Energieniveau gelangen nach extrem
- kurzer Zeit springt das Elektron wieder zurück und gibt die vorher aufgenommene Energiemenge wieder in Form eines Photons ab wenn dieser Rücksprung ohne
- äußere Einflüsse erfolgt dann spricht man von einer spontanen Emission wenn aber auf das bereits angeregte Elektron nochmals ein gleiches
- Photon trifft dann wird das Elektron aktiv auf das Grundniveau zurückgerissen das verursachende und das dabei entstehende Photon sind vollkommen
- identisch weil der Rücksprung in diesem Fall nicht spontan erfolgt sondern durch ein Photon ausgelöst wird spricht man von stimulierter
- Emission und dieses stimulierte Emission spielt bei der Erzeugung von Laserlicht eine tragende Rolle für die technische realisier braucht man aber noch einen
- passelstein nämlich die metastabilität ich möchte diese metastabilität mit Hilfe einer Analogie aus der Mechanik erklären eine Kugel an
- der tiefsten Stelle einer Mulde befindet sich in einem stabilen Zustand übertragen entspricht das dem Grundzustand eines Elektrons im Atom
- wenn ich die Kugel auslenke und auslasse wird sie sofort wieder in den Grundzustand zurückrollen die obere Position ist instabil das ist ist ein
- Modell für den anregungszustand eines Elektrons bei dem dieses sofort wieder auf den Ausgangszustand zurückkehrt wenn sich neben der tiefen
- Mulde eine weniger tiefe Mulde befindet und ich die Kugel dort hinein Rolle dann befindet sie sich in einem metastabilen Zustand metastabilität ist eine schwache
- Form der Stabilität die Kugel ist dort zwar stabil aber nicht so stabil wie an der tiefsten Stelle auch angeregte Elektronen im Atom
- können sich in einem metastabilen Zustand befinden sie verweilen dann auf diesem Energieniveau mit unter Millionen Mal länger als unter normalen Umständen
- bei einem Laser wird diese metastabilität mit der stimulierten Emission verbunden sehen wir uns das am konkreten Beispiel des rubinlasers an
- dem allerersten Laser der 1960 von Theodor mayman konstruiert wurde das Kernstück dieses Lasers ist ein künstlich hergestellter
- zylinderförmiger rubinkristall er besteht aus Aluminiumoxid die rote Farbe bekommt er durch winzige Beimengungen von
- chromatomen die die aluminiumatome im Kristall teilweise ersetzen und die auch für die metastabilen Niveaus verantwortlich
- sind hier sieht man das Energieschema dieser chromatome in E1 befindet sich das Grundniveau E2 ist ein metastabiles Energieniveau und in E3 befinden sich
- die sogenannten energiebänder diese kommen deshalb zustande weil sich die Elektronen in Kristallen gegenseitig beeinflussen und dadurch ganz viele ganz
- eng aneinanderliegende Energieniveaus entstehen die in Summe die kontinuierlichen Bereiche in E3 ergeben rundum den Kristall befindet sich eine
- spiralförmige Blitzlampe der Lichtblitz hebt die Elektronen in die energiebänder E3 man nennt das auch das Pumpen von dort fallen sie innerhalb von etwa 10-9
- Sekunden auf das stabile Energieniveau E2 hinunter dort verweilen Sie etwa 3 x 10-3 Sekunden also rund 3 Millionen mal so lang wie auf einem normalen
- Energieniveau nach dem Pumpen befinden sich also auf dem metastabilen Energieniveau E2 wesentlich mehr Elektronen als auf dem Grundniveau E1
- man nennt so einen Zustand eine Inversion wenn dann die ersten Elektronen spontan von E2 wieder auf E1 zurückfallen reißen sie durch simulierte
- Emission lawinenartig alle Elektronen runter die Photonen werden hinunther reflektiert an der vorderen Seite des Lasers befindet sich ein
- halbdurchlässiger Spiegel bei dem bei jeder Reflexion 2% der Photonen den Laser verlassen können Laserlicht besteht immer aus
- völlig identischen Photonen man spricht auch vom kohärenten Licht kohärent bedeutet übersetzt zusammenhängend und soll an deuten dass die Photonen
- gemeinsam erzeugt werden Laserlicht ist auch immer sehr gebündelt und kann deshalb mit unter extrem hohe Energiedichten
- Erreichen der Rubin Laser kann nur kurze Lichtpulse erzeugen dann muss wieder frisch mit dem Blitzlicht gepumpt werden aber noch im selben Jahr also 1960 wurde
- der Helium neonlese erfunden der kontinuierliches Licht erzeugt beim Helium Neon Laser wird nicht durch Licht gepumpt sondern durch
- Strom wenn die Elektronen die durchs Gas fließen auf Heliumatome treffen können Sie Energie auf die heliumelektronen übertragen und diese auf das metastabile
- Energieniveau E2 heben wenn dann diese angeregten Heliumatome auf neonatome treffen können Sie diese Energie wieder rum auf die Elektronen im Neon
- übertragen auch das Energieniveau E3 im neonatom ist met stabil wenn jetzt ein passendes Photon vorbeikommt dann wird eine stimulierte Emission ausgelöst und
- das kohärente Laserlicht erzeugt durch Zusammenstöße mit der Glaswand oder durch spontane Emission kehrt das neonelektron dann wieder in den
- Grundzustand zurück unter dem Strich ist also Helium das pumpgas und Neon das lasergas und weil das Pumpen und die stimulierte
- Emission unabhängig voneinander ablaufen kann ein solcher Laser dauerhaftes Licht erzeugen die größte Bedeutung im Alltag haben aber Halbleiter Laser auch Laser
- Dioden genannt Halbleiter sind Kristalle deren Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Nichtleitern liegt meistens sind es Stoffe mit vier Valenzelektronen
- etwa Silizium die absichtlich mit Stoffen verunreinigt werden die drei oder fünf Valenzelektronen besitzen dadurch entsteht entweder ein relativer
- Elektronenmangel oder ein relativer Elektronen Überschuss bei einem halbleiterleser bringt man diese beiden Schichten knapp aneinander und legt eine
- Spannung an dadurch werden die freien Elektronen gewissermaßen in die Elektronen Löcher geschoben das erzeugt die stimulierte Emission die wiederum
- das koherente Laserlicht erzeugt auch Laserdioden senden dauerhaftes Licht aus und je nach Bauart können Sie alle möglichen Farben
- erzeugen ihr Vorteil liegt auch in ihrer Winzigkeit Laserdioden werden in Laserdruckern Scannerkassen Laserpointern oder optischen Laufwerken
- verwendet und bei der Datenübertragung durch glasfasserkabel ohne Laser würde die Welt im Chaos versinken
Zum Nachlesen
LaserLaser [ˈlɛɪzər], auch [ ˈleːzər] oder [ ˈlaːzər] bezeichnet ein Gerät, mit dem Licht mit besonderen Eigenschaften, sogenanntes Laserlicht, erzeugt wird.
LaserdiodeEine Laserdiode (auch Halbleiterlaser) ist ein mit der Leuchtdiode (LED) verwandtes Halbleiter-Bauteil, das jedoch Laserstrahlung erzeugt.
LasermediumAls Lasermedium (auch laseraktives Medium) wird ein Material bezeichnet, das sich zur Erzeugung von Laserlicht durch stimulierte Emission eignet.
DiodenlaserEin Diodenlaser ist ein Laser, dessen Licht mit Laserdioden, also mit Halbleitermaterialien, erzeugt wird. Diodenlaser können Lichtleistungen bis über 60 kW …