Wie funktioniert ein Laser
Denkbar
https://www.youtube.com/watch?v=xWBdRrcI5BM

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 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
0:09 funktioniert für viele ist laserlicht ein symbol für etwas geheimnisvolles und gleichzeitig faszinierendes das berühmte lichtschwert aus den star-wars-filmen
0:18 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
0:28 physikalischen effekt als auch das gerät mit dem laser strahlen erzeugt werden laser ist ein akronym und steht für light amplification by stimulated
0:37 emission of radiation zu deutsch schlicht verstärkung durch stimulierte emission von strahlung der name ist gut gewählt da die stimulierte emission der
0:46 entscheidende prozess der laser entstehung ist albert einstein legte die theoretischen grundlagen bereits 1917 aber erst über 40 jahre später und zwar
0:56 1960 wurde der erste laser vom amerikanischen physiker die romanen gebaut heute sind solche geräte aus unserer
1:04 welt nicht mehr wegzudenken sie werden bei der datenübertragung über lichtwellenleiter auch bekannt als glasfaserkabel eingesetzt in der
1:11 industriellen fertigung dienen sie dazu mit alu und holz zu bearbeiten beispielsweise durch speisen oder schneiden die medizin setzt laser für
1:20 präzise augen behandlung und andere operationen ein auch dermatologen verwenden dieses besondere licht um haare oder tattoos zu
1:28 entfernen aber was macht laserlicht so besonders laserstrahlen bestehen die auch anderes licht aus elektromagnetischen wellen die
1:37 sich mit lichtgeschwindigkeit ausbreiten das entspricht 300 kilometer pro sekunde oder mehr als eine milliarde kilometer pro stunde
1:45 diese wellen bestehen ausgekoppelten elektrischen und magnetischen feldern das konkrete bild einer welle dient hier nur als hilfestellung denn licht verhält
1:54 sich auch wie ein teilchen beide eigenschaften lassen sich grafisch nicht als objekt darstellen man spricht vom sogenannten welle
2:01 teilchen dualismus ein ausführliches video dazu findet ihr in der beschreibung so ein einzelnes lichtwelle teilchen ding nennt man fotos für unsere
2:11 weitere betrachtung ist die wellen wichtig das ist der abstand von bellenberg zu wellenberg unterschiedliche wellenlängen sorgen
2:19 dafür dass wir unterschiedliche farben wahrnehmen zum besseren verständnis stelle ich photonen im folgenden als einfache bälle
2:28 da vergleichen wir laserlicht mit dem licht einer gewöhnlichen lichtquelle stellen wir einige unterschiede fest zunächst fällt auf dass der laserstrahl
2:37 bei seiner ausbreitung kaum breiter wird hier spricht man von räumlicher kohärenz das ist die eigenschaft dass dieses licht hochgradig gerichtet ist und sich
2:47 nicht wie bei einer glühbirne kegelförmig ausbreitet zusätzlich zeigt sich dass das licht einer klassischen glühbirne sich über einen
2:55 kontinuierlichen wellenlängenbereich erstreckt es besteht aus vielen verschiedenen farben also verschiedenen wellenlängen da jedes atom unabhängig
3:03 von den anderen in unregelmäßiger folge photonen aussendet des weiteren gibt es zwischen den photonen keine festen phasen beziehung um es bildlich zu sagen
3:13 sie schwingen nicht synchron bei leds ist kein kontinuierliches wellen spektrum vorhanden jedoch besteht auch dieses licht aus
3:22 mehreren farben durch überlagerung der verschiedenen farben entsteht der eindruck das licht wäre ein farbig mit hilfe eines chrismas lässt sich dieses
3:30 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
3:38 farben sich euer schreibtisch sich zusammensetzt laserlicht hingegen ist hochgradig monochrom a tisch also ein farbig es wird nur licht einer
3:48 spezifischen oder nur wenigen verschiedenen wellenlängen ausgesendet je nachdem welches laser medium verwendet wird hinzu kommt das
3:55 laserlicht eine große zeitliche kohärenz aufweist die wellen sind somit lange phasen gleich das bedeutet hält man zu beginn
4:03 zwei wellen nebeneinander dann befindet sich wellenberg neben wellenberg die zeitliche karenz ist umso größer je kleiner die verschiebung der wellenberge
4:12 bei größerem abstand ist bei laserstrahlen kann eine zeit des korans mehrere kilometer betragen wir finden also auch dann noch fellenberg neben
4:21 wellenberg selbst wenn man den laserstrahl aufteilt und die resultierenden strahlen verschiedene wege nehmen
4:27 bleibt die zeitliche kohärenz erhalten zusammenfassend lässt sich sagen dass die große zeitliche und räumliche kohärenz sowie die eigenschaft monochrom
4:36 a tisch zu sein die wesentlichen unterschiede von laserlicht zu gewöhnlichem licht sind laserlicht kann zudem sehr scharf
4:43 fokussiert werden auch sind bei sehr weiten frequenzbereich extrem kurze und intensive strahlen pulse mit exakt da
4:50 wieder hohe frequenz möglich wie können wir nun so ein licht erzeugen hier hilft uns eine arbeit von albert einstein über die quantentheorie der
4:59 strahlung darin beschreibt er drei möglichkeiten wie atome mit strahlung umgehen zunächst betrachten wir ein atom in
5:06 einem grundzustand mit einer energie die wir in 0 bezeichnen im fall einer absorption wird eine eintreffende strahlung von dem atom
5:15 aufgenommen und dadurch wird das atom in einen angeregten energetisch höheren zustand versetzt bei angeregten atom kann es zu einer
5:24 spontanen emissionen kommen bei der strahlung abgegeben wird und das atom in einen energetisch niedrigeren zustand zurückfällt
5:31 die dritte möglichkeit ist die entscheidende zur laser erzeugung befindet sich ein atom in einem angeregten zustand und wird von einer
5:40 strahlung getroffen deren energie genau dem energie unterschied von 0 und 1 entspricht gibt es atom auch strahlung ab und fällt auf einen energetisch
5:50 niedrigeren zustand das besondere hierbei ist jedoch dass das neue erzeugte photon die gleiche energie und wellenlänge wie das eingefallene photon
5:59 aufweist es bewegt sich in die gleiche richtung hat die gleiche polarisationsrichtung und auch die gleiche phasen lager so
6:06 dass es sich gewissermaßen wie eine kopie des ursprünglichen photons verhält wir haben also einen photonen clown erzeugt um genügend laser photonen zu
6:16 erzeugen benötigt man genügend atome in einem angeregten zustand anders ausgedrückt eine grundlegende bedingung dass ein laser funktioniert
6:24 ist das eine besetzung in version vorliegen muss dh es müssen mehr atome in angeregten zustand als in nicht angeregten zustand vorlegen
6:34 man kann allerdings zeigen dass thermische prozesse und auch die strahlungsintensität nicht ausreichen um eine besetzung in
6:41 version bei einem 2 zustand system zu erzeugen eine mathematische herleitung für mit ihr am ende des videos die anschauliche erklärung ist folgender
6:50 angenommen die hälfte aller teilchen befindet sich auf einem höheren energieniveau dann ist die wahrscheinlichkeit dass ein atom im
6:58 oberen niveau ein photon durch stimulierte emission ab gibt genauso hoch wie die wahrscheinlichkeit dass ein atom im unteren energieniveau ein photon
7:08 absorbiert zusätzlich sorgen spontane emissionen dafür dass nicht einmal diese theoretische grenze erreicht wird es liegen also immer mehr atome in einem
7:18 energetisch niedrigeren zustand vor um einen laser effekt zu erzeugen benötigt man ein drei oder mehr energieniveau system mit einem meter
7:26 stabilen zustand in einem ersten schritt wird anatomen einen angeregten zustand versetzt das kann beispielsweise durch ein photon geschehen diese art der
7:36 energieübertragung nennt man pumpen im fall von photonen spricht man von optischen pumpen auch elektrische prozesse wärme stöße mit anderen
7:45 teilchen und chemische reaktionen können die benötigte energie ins system übertragen und eine besetzung inversion erzeugen dieser zustand ist nicht stabil
7:54 und das atom fällt auf ein niedrigeres energieniveau hierbei wird wärme frei dieser zustand ist meter stabil das heißt dass atom fällt nicht direkt
8:05 in den grundzustand sondern ein weiteres foto mit einer entsprechenden energie kann eine stimulierte emission auslösen ein meta stabiler zustand ist
8:14 erforderlich damit eine besetzung sin version möglich ist bei einem helium leon laser erreicht man eine besetzung in version durch stöße von helium atom
8:23 wie der name schon vermuten lässt ist noch ein weiteres element beteiligt neon zunächst wird helium getöse von elektronen angeregt das kann durch eine
8:34 angelegte hochspannung realisiert werden das helium stößt an das neon und überträgt energie der angeregten zustand des nähens ist etwas höher als der des
8:45 heli ums die zusätzlich benötigte energie stammt aus der kinetischen energie des helios kinetische energie ist bewegungsenergie
8:53 wer sich über weitere energieformen informieren möchte findet mein video hierzu in der beschreibung der angeregten zustand von neon ist meter
9:02 stabil wir erinnern uns dieser meta stabile zustand ist nötig damit eine besetzung sin version überhaupt zustande kommt
9:09 das eintreffen eines energetisch geeigneten photons kann eine stimulierte emission auslösen der nachfolgende zustand ist nicht
9:18 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
9:27 zwei probleme erstens die bewegungsrichtungen der photonen ist zufällig und nicht gerichtet zweitens sind wenige photonen das laserlicht ist
9:37 also schwach beide probleme löst der sogenannte resonators auf eine genial einfache weise der resona tor besteht aus einer anordnung von zwei spiegeln
9:47 diese werden genau parallel zueinander aufgestellt zwischen den beiden spiegeln befindet sich das laser medium bei einem
9:55 feststoff medium werden die spiegel häufig direkt aufgeklebt oder aufgedampft die spiegel sorgen dafür dass photonen die nicht auf atome
10:03 treffen wieder zurückgeworfen werden durch die anordnung der spiegel wird das licht gerichtet der prozess läuft wie eine kettenreaktion ab und immer mehr
10:11 photonen klone werden erzeugt hierbei ist zu beachten dass eine der spiegel halb durchlässig ist und so ein teil des lichts auf einer
10:20 seite austreten kann damit sind wir beim großen finale licht kann unter geeigneten bedingungen interferieren das heißt sich durch
10:29 konstruktive interferenz verstärken und durch destruktive interferenz schwächen ist der abstand der spiegel richtig eingestellt dann trifft wellenberg auf
10:39 wellenberg somit wird das licht optimal verstärkt und das bildet sich eine stehende welle dieser abstand entspricht einem ganzzahligen vielfachen der halbe
10:49 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
10:57 konstruktive interferenz fest eckwerte jetzt haben wir einen richtigen laserstrahl hier noch die versprochene mathematische beschreibung falls euch
11:06 die mathematischen hintergründe der themen interessieren schreibt mir gerne einen kommentar bei punkt eins werden die grundannahmen getroffen
11:14 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
11:24 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
11:35 die raten gleichungen aufgestellt diese beschreiben die änderung der zustände brotzeit also wie viele teilchen vom zustand n1 in den zustand entzwei
11:43 wechseln die blauen buchstaben sind die einstein koeffizienten welche die wahrscheinlichkeit beschreiben mit dem der zustand gewechselt wird wie wir
11:52 gesehen haben kann das durch absorption stimulierte emission oder spontane emission passieren dass sie in den gleichung stellt die
12:00 strahlungsintensität da kombiniert man die beiden raten gleichungen erhält man eine beschreibung der gesamten zustands änderung punkt 3 liefert den beweis dass
12:10 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
12:19 kommentar ich wünsche euch eine fantastische zeit und niemals vergessen alles ist denkbar