Quantenmechanik 11: Wie funktioniert ein Laser?
Apolins Physik-Universum
https://www.youtube.com/watch?v=6v8YCUDTdfY

Transkript (automatisch erstellt)

0:02 der Laser ist eine Entwicklung die auf den Erkenntnissen der Quantenmechanik beruht wenn es mit einem schnippen plötzlich keine Laser mehr gebe würde
0:10 die Welt ins absolute Chaos fallen warum weil z.B die weltumspannende heißbeit Datenübertragung durch Glasfaserkabel mit Hilfe von Laserlicht erfolgt was ist
0:20 aber das Besondere an diesem Laserlicht und wie wird es erzeugt und warum hat dabei die Quantenmechanik ihre Finger im Spiel
0:30 [Musik] das Wort Laser ist ein Akronym besteht also aus den Anfangsbuchstaben mehrere
0:46 Wörter es steht für light amplification by stimulated emission of radiation also Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung damit ist die
0:56 Arbeitsweise eines Lasers bereits sehr exakt umrissen was versteht man aber unter einer stimulierten
1:04 Emission ein Elektronen im Atom kann ein Photon mit passender Energie aufnehmen und dadurch auf ein höheres Energieniveau gelangen nach extrem
1:13 kurzer Zeit springt das Elektron wieder zurück und gibt die vorher aufgenommene Energiemenge wieder in Form eines Photons ab wenn dieser Rücksprung ohne
1:23 äußere Einflüsse erfolgt dann spricht man von einer spontanen Emission wenn aber auf das bereits angeregte Elektron nochmals ein gleiches
1:33 Photon trifft dann wird das Elektron aktiv auf das Grundniveau zurückgerissen das verursachende und das dabei entstehende Photon sind vollkommen
1:42 identisch weil der Rücksprung in diesem Fall nicht spontan erfolgt sondern durch ein Photon ausgelöst wird spricht man von stimulierter
1:51 Emission und dieses stimulierte Emission spielt bei der Erzeugung von Laserlicht eine tragende Rolle für die technische realisier braucht man aber noch einen
2:01 passelstein nämlich die metastabilität ich möchte diese metastabilität mit Hilfe einer Analogie aus der Mechanik erklären eine Kugel an
2:11 der tiefsten Stelle einer Mulde befindet sich in einem stabilen Zustand übertragen entspricht das dem Grundzustand eines Elektrons im Atom
2:21 wenn ich die Kugel auslenke und auslasse wird sie sofort wieder in den Grundzustand zurückrollen die obere Position ist instabil das ist ist ein
2:30 Modell für den anregungszustand eines Elektrons bei dem dieses sofort wieder auf den Ausgangszustand zurückkehrt wenn sich neben der tiefen
2:40 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
2:50 Form der Stabilität die Kugel ist dort zwar stabil aber nicht so stabil wie an der tiefsten Stelle auch angeregte Elektronen im Atom
2:59 können sich in einem metastabilen Zustand befinden sie verweilen dann auf diesem Energieniveau mit unter Millionen Mal länger als unter normalen Umständen
3:08 bei einem Laser wird diese metastabilität mit der stimulierten Emission verbunden sehen wir uns das am konkreten Beispiel des rubinlasers an
3:18 dem allerersten Laser der 1960 von Theodor mayman konstruiert wurde das Kernstück dieses Lasers ist ein künstlich hergestellter
3:29 zylinderförmiger rubinkristall er besteht aus Aluminiumoxid die rote Farbe bekommt er durch winzige Beimengungen von
3:38 chromatomen die die aluminiumatome im Kristall teilweise ersetzen und die auch für die metastabilen Niveaus verantwortlich
3:46 sind hier sieht man das Energieschema dieser chromatome in E1 befindet sich das Grundniveau E2 ist ein metastabiles Energieniveau und in E3 befinden sich
3:57 die sogenannten energiebänder diese kommen deshalb zustande weil sich die Elektronen in Kristallen gegenseitig beeinflussen und dadurch ganz viele ganz
4:06 eng aneinanderliegende Energieniveaus entstehen die in Summe die kontinuierlichen Bereiche in E3 ergeben rundum den Kristall befindet sich eine
4:17 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
4:28 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
4:42 Energieniveau nach dem Pumpen befinden sich also auf dem metastabilen Energieniveau E2 wesentlich mehr Elektronen als auf dem Grundniveau E1
4:52 man nennt so einen Zustand eine Inversion wenn dann die ersten Elektronen spontan von E2 wieder auf E1 zurückfallen reißen sie durch simulierte
5:02 Emission lawinenartig alle Elektronen runter die Photonen werden hinunther reflektiert an der vorderen Seite des Lasers befindet sich ein
5:12 halbdurchlässiger Spiegel bei dem bei jeder Reflexion 2% der Photonen den Laser verlassen können Laserlicht besteht immer aus
5:21 völlig identischen Photonen man spricht auch vom kohärenten Licht kohärent bedeutet übersetzt zusammenhängend und soll an deuten dass die Photonen
5:31 gemeinsam erzeugt werden Laserlicht ist auch immer sehr gebündelt und kann deshalb mit unter extrem hohe Energiedichten
5:51 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
6:02 der Helium neonlese erfunden der kontinuierliches Licht erzeugt beim Helium Neon Laser wird nicht durch Licht gepumpt sondern durch
6:11 Strom wenn die Elektronen die durchs Gas fließen auf Heliumatome treffen können Sie Energie auf die heliumelektronen übertragen und diese auf das metastabile
6:21 Energieniveau E2 heben wenn dann diese angeregten Heliumatome auf neonatome treffen können Sie diese Energie wieder rum auf die Elektronen im Neon
6:32 übertragen auch das Energieniveau E3 im neonatom ist met stabil wenn jetzt ein passendes Photon vorbeikommt dann wird eine stimulierte Emission ausgelöst und
6:43 das kohärente Laserlicht erzeugt durch Zusammenstöße mit der Glaswand oder durch spontane Emission kehrt das neonelektron dann wieder in den
6:53 Grundzustand zurück unter dem Strich ist also Helium das pumpgas und Neon das lasergas und weil das Pumpen und die stimulierte
7:03 Emission unabhängig voneinander ablaufen kann ein solcher Laser dauerhaftes Licht erzeugen die größte Bedeutung im Alltag haben aber Halbleiter Laser auch Laser
7:15 Dioden genannt Halbleiter sind Kristalle deren Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Nichtleitern liegt meistens sind es Stoffe mit vier Valenzelektronen
7:25 etwa Silizium die absichtlich mit Stoffen verunreinigt werden die drei oder fünf Valenzelektronen besitzen dadurch entsteht entweder ein relativer
7:35 Elektronenmangel oder ein relativer Elektronen Überschuss bei einem halbleiterleser bringt man diese beiden Schichten knapp aneinander und legt eine
7:43 Spannung an dadurch werden die freien Elektronen gewissermaßen in die Elektronen Löcher geschoben das erzeugt die stimulierte Emission die wiederum
7:52 das koherente Laserlicht erzeugt auch Laserdioden senden dauerhaftes Licht aus und je nach Bauart können Sie alle möglichen Farben
8:02 erzeugen ihr Vorteil liegt auch in ihrer Winzigkeit Laserdioden werden in Laserdruckern Scannerkassen Laserpointern oder optischen Laufwerken
8:13 verwendet und bei der Datenübertragung durch glasfasserkabel ohne Laser würde die Welt im Chaos versinken