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Wie funktioniert ein Laser
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 85 Zeilen
- ich begrüße euch herzlich zu einem neuen video und freue mich dass sie wieder eingeschaltet habt heute wird euch denkbar einfach erklärt wie ein laser
- funktioniert für viele ist laserlicht ein symbol für etwas geheimnisvolles und gleichzeitig faszinierendes das berühmte lichtschwert aus den star-wars-filmen
- vermittelt uns den eindruck dass dieses besondere licht übermächtig ist ob das so ist finden wir im folgenden heraus als laser bezeichnet man sowohl in
- physikalischen effekt als auch das gerät mit dem laser strahlen erzeugt werden laser ist ein akronym und steht für light amplification by stimulated
- emission of radiation zu deutsch schlicht verstärkung durch stimulierte emission von strahlung der name ist gut gewählt da die stimulierte emission der
- entscheidende prozess der laser entstehung ist albert einstein legte die theoretischen grundlagen bereits 1917 aber erst über 40 jahre später und zwar
- 1960 wurde der erste laser vom amerikanischen physiker die romanen gebaut heute sind solche geräte aus unserer
- welt nicht mehr wegzudenken sie werden bei der datenübertragung über lichtwellenleiter auch bekannt als glasfaserkabel eingesetzt in der
- industriellen fertigung dienen sie dazu mit alu und holz zu bearbeiten beispielsweise durch speisen oder schneiden die medizin setzt laser für
- präzise augen behandlung und andere operationen ein auch dermatologen verwenden dieses besondere licht um haare oder tattoos zu
- entfernen aber was macht laserlicht so besonders laserstrahlen bestehen die auch anderes licht aus elektromagnetischen wellen die
- sich mit lichtgeschwindigkeit ausbreiten das entspricht 300 kilometer pro sekunde oder mehr als eine milliarde kilometer pro stunde
- diese wellen bestehen ausgekoppelten elektrischen und magnetischen feldern das konkrete bild einer welle dient hier nur als hilfestellung denn licht verhält
- sich auch wie ein teilchen beide eigenschaften lassen sich grafisch nicht als objekt darstellen man spricht vom sogenannten welle
- teilchen dualismus ein ausführliches video dazu findet ihr in der beschreibung so ein einzelnes lichtwelle teilchen ding nennt man fotos für unsere
- weitere betrachtung ist die wellen wichtig das ist der abstand von bellenberg zu wellenberg unterschiedliche wellenlängen sorgen
- dafür dass wir unterschiedliche farben wahrnehmen zum besseren verständnis stelle ich photonen im folgenden als einfache bälle
- da vergleichen wir laserlicht mit dem licht einer gewöhnlichen lichtquelle stellen wir einige unterschiede fest zunächst fällt auf dass der laserstrahl
- bei seiner ausbreitung kaum breiter wird hier spricht man von räumlicher kohärenz das ist die eigenschaft dass dieses licht hochgradig gerichtet ist und sich
- nicht wie bei einer glühbirne kegelförmig ausbreitet zusätzlich zeigt sich dass das licht einer klassischen glühbirne sich über einen
- kontinuierlichen wellenlängenbereich erstreckt es besteht aus vielen verschiedenen farben also verschiedenen wellenlängen da jedes atom unabhängig
- von den anderen in unregelmäßiger folge photonen aussendet des weiteren gibt es zwischen den photonen keine festen phasen beziehung um es bildlich zu sagen
- sie schwingen nicht synchron bei leds ist kein kontinuierliches wellen spektrum vorhanden jedoch besteht auch dieses licht aus
- mehreren farben durch überlagerung der verschiedenen farben entsteht der eindruck das licht wäre ein farbig mit hilfe eines chrismas lässt sich dieses
- farbspektrum sichtbar machen habt ihr charisma zu hand könnt ihr auch einfach die rückseite einer cd nehmen schreibt mir gerne mal die kommentare aus welchen
- farben sich euer schreibtisch sich zusammensetzt laserlicht hingegen ist hochgradig monochrom a tisch also ein farbig es wird nur licht einer
- spezifischen oder nur wenigen verschiedenen wellenlängen ausgesendet je nachdem welches laser medium verwendet wird hinzu kommt das
- laserlicht eine große zeitliche kohärenz aufweist die wellen sind somit lange phasen gleich das bedeutet hält man zu beginn
- zwei wellen nebeneinander dann befindet sich wellenberg neben wellenberg die zeitliche karenz ist umso größer je kleiner die verschiebung der wellenberge
- bei größerem abstand ist bei laserstrahlen kann eine zeit des korans mehrere kilometer betragen wir finden also auch dann noch fellenberg neben
- wellenberg selbst wenn man den laserstrahl aufteilt und die resultierenden strahlen verschiedene wege nehmen
- bleibt die zeitliche kohärenz erhalten zusammenfassend lässt sich sagen dass die große zeitliche und räumliche kohärenz sowie die eigenschaft monochrom
- a tisch zu sein die wesentlichen unterschiede von laserlicht zu gewöhnlichem licht sind laserlicht kann zudem sehr scharf
- fokussiert werden auch sind bei sehr weiten frequenzbereich extrem kurze und intensive strahlen pulse mit exakt da
- wieder hohe frequenz möglich wie können wir nun so ein licht erzeugen hier hilft uns eine arbeit von albert einstein über die quantentheorie der
- strahlung darin beschreibt er drei möglichkeiten wie atome mit strahlung umgehen zunächst betrachten wir ein atom in
- einem grundzustand mit einer energie die wir in 0 bezeichnen im fall einer absorption wird eine eintreffende strahlung von dem atom
- aufgenommen und dadurch wird das atom in einen angeregten energetisch höheren zustand versetzt bei angeregten atom kann es zu einer
- spontanen emissionen kommen bei der strahlung abgegeben wird und das atom in einen energetisch niedrigeren zustand zurückfällt
- die dritte möglichkeit ist die entscheidende zur laser erzeugung befindet sich ein atom in einem angeregten zustand und wird von einer
- strahlung getroffen deren energie genau dem energie unterschied von 0 und 1 entspricht gibt es atom auch strahlung ab und fällt auf einen energetisch
- niedrigeren zustand das besondere hierbei ist jedoch dass das neue erzeugte photon die gleiche energie und wellenlänge wie das eingefallene photon
- aufweist es bewegt sich in die gleiche richtung hat die gleiche polarisationsrichtung und auch die gleiche phasen lager so
- dass es sich gewissermaßen wie eine kopie des ursprünglichen photons verhält wir haben also einen photonen clown erzeugt um genügend laser photonen zu
- erzeugen benötigt man genügend atome in einem angeregten zustand anders ausgedrückt eine grundlegende bedingung dass ein laser funktioniert
- ist das eine besetzung in version vorliegen muss dh es müssen mehr atome in angeregten zustand als in nicht angeregten zustand vorlegen
- man kann allerdings zeigen dass thermische prozesse und auch die strahlungsintensität nicht ausreichen um eine besetzung in
- version bei einem 2 zustand system zu erzeugen eine mathematische herleitung für mit ihr am ende des videos die anschauliche erklärung ist folgender
- angenommen die hälfte aller teilchen befindet sich auf einem höheren energieniveau dann ist die wahrscheinlichkeit dass ein atom im
- oberen niveau ein photon durch stimulierte emission ab gibt genauso hoch wie die wahrscheinlichkeit dass ein atom im unteren energieniveau ein photon
- absorbiert zusätzlich sorgen spontane emissionen dafür dass nicht einmal diese theoretische grenze erreicht wird es liegen also immer mehr atome in einem
- energetisch niedrigeren zustand vor um einen laser effekt zu erzeugen benötigt man ein drei oder mehr energieniveau system mit einem meter
- stabilen zustand in einem ersten schritt wird anatomen einen angeregten zustand versetzt das kann beispielsweise durch ein photon geschehen diese art der
- energieübertragung nennt man pumpen im fall von photonen spricht man von optischen pumpen auch elektrische prozesse wärme stöße mit anderen
- teilchen und chemische reaktionen können die benötigte energie ins system übertragen und eine besetzung inversion erzeugen dieser zustand ist nicht stabil
- und das atom fällt auf ein niedrigeres energieniveau hierbei wird wärme frei dieser zustand ist meter stabil das heißt dass atom fällt nicht direkt
- in den grundzustand sondern ein weiteres foto mit einer entsprechenden energie kann eine stimulierte emission auslösen ein meta stabiler zustand ist
- erforderlich damit eine besetzung sin version möglich ist bei einem helium leon laser erreicht man eine besetzung in version durch stöße von helium atom
- wie der name schon vermuten lässt ist noch ein weiteres element beteiligt neon zunächst wird helium getöse von elektronen angeregt das kann durch eine
- angelegte hochspannung realisiert werden das helium stößt an das neon und überträgt energie der angeregten zustand des nähens ist etwas höher als der des
- heli ums die zusätzlich benötigte energie stammt aus der kinetischen energie des helios kinetische energie ist bewegungsenergie
- wer sich über weitere energieformen informieren möchte findet mein video hierzu in der beschreibung der angeregten zustand von neon ist meter
- stabil wir erinnern uns dieser meta stabile zustand ist nötig damit eine besetzung sin version überhaupt zustande kommt
- das eintreffen eines energetisch geeigneten photons kann eine stimulierte emission auslösen der nachfolgende zustand ist nicht
- stabil und so fällt das atom nach einiger zeit in seinen grundzustand zurück haben wir auf diese art nun einige photonen erzeugt so ergeben sich
- zwei probleme erstens die bewegungsrichtungen der photonen ist zufällig und nicht gerichtet zweitens sind wenige photonen das laserlicht ist
- also schwach beide probleme löst der sogenannte resonators auf eine genial einfache weise der resona tor besteht aus einer anordnung von zwei spiegeln
- diese werden genau parallel zueinander aufgestellt zwischen den beiden spiegeln befindet sich das laser medium bei einem
- feststoff medium werden die spiegel häufig direkt aufgeklebt oder aufgedampft die spiegel sorgen dafür dass photonen die nicht auf atome
- treffen wieder zurückgeworfen werden durch die anordnung der spiegel wird das licht gerichtet der prozess läuft wie eine kettenreaktion ab und immer mehr
- photonen klone werden erzeugt hierbei ist zu beachten dass eine der spiegel halb durchlässig ist und so ein teil des lichts auf einer
- seite austreten kann damit sind wir beim großen finale licht kann unter geeigneten bedingungen interferieren das heißt sich durch
- konstruktive interferenz verstärken und durch destruktive interferenz schwächen ist der abstand der spiegel richtig eingestellt dann trifft wellenberg auf
- wellenberg somit wird das licht optimal verstärkt und das bildet sich eine stehende welle dieser abstand entspricht einem ganzzahligen vielfachen der halbe
- wellenlänge des laserlichts somit ist auch das zweite problem gelöst denn der resona tor sorgt dafür dass das licht nicht mehr schwach ist sondern durch
- konstruktive interferenz fest eckwerte jetzt haben wir einen richtigen laserstrahl hier noch die versprochene mathematische beschreibung falls euch
- die mathematischen hintergründe der themen interessieren schreibt mir gerne einen kommentar bei punkt eins werden die grundannahmen getroffen
- hier ist es wichtig zu verstehen dass für eine besetzung sin version mehr teilchen im zustand 2 vorhanden sein müssen als im zustand 1 1 die differenz
- delta n muss also negativ sein dass es unmöglich ist dies durch erhöhung der strahlungsintensität zu erreichen mit dem folgenden gezeigt bei punkt 2 werden
- die raten gleichungen aufgestellt diese beschreiben die änderung der zustände brotzeit also wie viele teilchen vom zustand n1 in den zustand entzwei
- wechseln die blauen buchstaben sind die einstein koeffizienten welche die wahrscheinlichkeit beschreiben mit dem der zustand gewechselt wird wie wir
- gesehen haben kann das durch absorption stimulierte emission oder spontane emission passieren dass sie in den gleichung stellt die
- strahlungsintensität da kombiniert man die beiden raten gleichungen erhält man eine beschreibung der gesamten zustands änderung punkt 3 liefert den beweis dass
- delta andy negativ werden kann egal wie groß die intensität wird gibt es dinge die eher denkbar einfach erklärt haben möchtet dann schreibt mir gerne einen
- kommentar ich wünsche euch eine fantastische zeit und niemals vergessen alles ist denkbar
Zum Nachlesen
LaserLaser [ˈlɛɪzər], auch [ ˈleːzər] oder [ ˈlaːzər] bezeichnet ein Gerät, mit dem Licht mit besonderen Eigenschaften, sogenanntes Laserlicht, erzeugt wird.
BesetzungsinversionBesetzungsinversion (Besetzungsumkehr) (lateinisch inversio ‚Umkehr') ist ein Begriff aus der Physik von Systemen (beispielsweise Atomen), die nur bestimmte …
LasermediumAls Lasermedium (auch laseraktives Medium) wird ein Material bezeichnet, das sich zur Erzeugung von Laserlicht durch stimulierte Emission eignet.
LaserdiodeEine Laserdiode (auch Halbleiterlaser) ist ein mit der Leuchtdiode (LED) verwandtes Halbleiter-Bauteil, das jedoch Laserstrahlung erzeugt.