Funktion eines Gaslasers

[paddy-the-raver]

Hi Freaks,


ich muss am Freitag in Physik einen Vortrag zum Thema Laser halten und wollte mal Fragen ob ich das exakte Prinzip richtig verstanden habe.

Im Resonator gibt es ein "aktives Medium", in unserem Fall ein Gas, welches Atome in niedrigem Energiezustand (e1) beherbergt.

(e1= niedirgster, e3= höchster)

Nun wird dieses aktive Medium "gepumpt" also in form eines Elektronenstrahls (Blitzlampe, anderer Laser etc.) angeregt. Dies hat zur Folge, dass die Atome sich in einen höheren Energiezustand (e2/e3)begeben.
Die Atome nehmen also die Energie auf und begeben sich, mal angenommen, in Zustand (e3), welcher relativ stabil ist.
Das Atom strebt jedoch bekanntlich ein möglichst niedirgen Energielevel an, sprich (e1).
Nun kommt eine stimulierte (künstlich erzeugte) Welle mit der Wellenlänge X auf alle Atome, dadurch werden Quanten (Betrachtung von Licht als Teilchen) abgegeben und reihen sich in die Stimulierte Welle ein.
Durch die Ablösung der Quanten wird zusätzliche Energie in Form von Ladung abgestrahlt, die weitere Atome anregt, sich in einen höheren Energiezustand zu begeben, die Folge ist eine Kettenreaktion, bei der die stimulierte Welle stark verstärkt wird.
Vorraussetzung ist dass es mehr Atome im angeregten Zustand (e3) gibt als in den Zuständen (e2) oder (e1).

Im Resonator, welcher ein Vielfaches der Wellenlänge (Lambda /2 ) lang sein muss, wird dieser Strahl oft reflektiert und dadurch Verstärkt, da sich immer mehr Quanten in die stimulierte Welle "einreihen".

Frage:
--> Ist die stimulierende Welle für das Erregen der Atome UND das Ablösen der Quanten verantortlich :-/
oder wird ein elektrisches Feld angelegt um die Atome in den höheren Energiezustand zu versetzen!?


Vielen Dank für alle Antworten,



greetz Paddy

[lightwave]

Hallo,
leider ist ja mein Fachreferat nicht mehr hier online...

So auf die Kürze gelesen: Das mit den Energieniveaus kommt hin. Es gibt aber noch Systeme mit 4 oder 5 Niveaus.


Argonlaser werden mittels einer Heizwendel betrieben. Dadurch werden Elektronen freigesetzt, die auf die Argonatome treffen und diese somit auf das höhere Niveau bringen.
Hab mal ein Bild von meinem Kleinen angehängt: Man sieht die Heizwendel und das blau/violette Licht, was von ungerichteten Emmisionen kommt.

[DeadEyeTAKI]

So, wie ich den guten Harald Lesch verstanden habe, hast Du das Prinzip nicht ganz richtig wiedergegeben ... Du hast ein paar Ungenauigkeiten drin.

Ich bin allerdings auch kein Physiker ... aber ich interessiere mich für Quantenmechanik. An alle Freaks hier, die in der Hinsicht noch mehr drauf haben: Es sei mir also verziehen, wenn auch ich nicht 100%ig präzise bin in meiner Ausführung!

Nun wird dieses aktive Medium "gepumpt" also in form eines Elektronenstrahls (Blitzlampe, anderer Laser etc.) angeregt

Blitzlampen usw. sind keine Elektronenstrahler, sondern - wenn Du so willst - "Photonenstrahler". So, wie ich das Prinzip verstanden habe, wird eine sehr starke Lichtquelle benötigt, um möglichst viele Elektronen in den Atomen des "aktiven Mediums" (Gas, Rubin, was auch immer) auf ein hohes Energie-Niveau zu bringen. Normalerweise befinden sich mehr Elektronen auf einem niedrigeren Energie-Niveau. Aber Voraussetzung für die Funktion des Laser-Prinzips ist, dass dies zunächst umgekehrt wird.

Die Atome nehmen also die Energie auf und begeben sich, mal angenommen, in Zustand (e3)

Hier benutzt Du den richtigen Begriff ... "Energie" ... Licht kann ja als Welle und als Teilchen betrachtet werden. Die "Lichtteilchen" - Photonen - sind Quanten ...... also kleine Mengen an Energie. Wenn ein Elektron so ein Photon (Licht-Quantum) absorbiert, springt es auf ein höheres Energie-Niveau.

Nun kommt eine stimulierte (künstlich erzeugte) Welle mit der Wellenlänge X auf alle Atome, dadurch werden Quanten (Betrachtung von Licht als Teilchen) abgegeben und reihen sich in die Stimulierte Welle ein.

Ich glaube, das hast Du auch nicht ganz präzise beschrieben. Die stimulierte Welle ist eigentlich das Ergebnis. Entscheidend ist aber: Es gilt folgendes Grundprinzip: Wenn ein Photon genau der richtigen Wellenlänge ein Elektron eines hohen Energie-Niveaus passiert, dann wird dieses Elektron dazu angeregt, auf ein niedrigeres Energie-Niveau zu springen und dabei seinerseits ein weiteres Photon der selben Wellenlänge abzugeben. Das erste Photon muss also genau die Wellenlänge haben, die dem Energie-Unterschied der beiden Energie-Niveaus entspricht. Demnach hat das erste Photon auch die selbe Wellenlänge wie das zweite Photon, das vom Elektron abgegeben wird. Diese beiden Photonen wandern dann weiter durch das Medium und treffen auf weitere Elektronen. Dadurch werden aus 2 Photonen 4, aus 4 werden 8, usw. ... (idealisiert). .... Eine Kettenreaktion.
Es muss also nur ein Photon der richtigen Wellenlänge ein Elektron zu einem Sprung anregen, um eine Kettenreaktion auszulösen. Das Ergebnis ist dann durch konstruktive Interferenz eine sehr starke Lichtwelle genau einer bestimmten Wellenlänge.
Und das ganze funktioniert eben nur, wenn die Wahrscheinlichkeit wesentlich größer ist, dass das Photon auf ein Elektron höheren Energie-Niveaus triff, als auf eines niedrigen Energien-Niveaus ... denn sonst würde das Photon vom Elektron absorbiert und dieses würde dann auf ein höheres Energie-Niveau springen.

Durch die Ablösung der Quanten wird zusätzliche Energie in Form von Ladung abgestrahlt, die weitere Atome anregt, sich in einen höheren Energiezustand zu begeben, die Folge ist eine Kettenreaktion, bei der die stimulierte Welle stark verstärkt wird.

Auch hier meine ich, dass Du das nicht klar genug formuliert hast. Es wird keine "Ladung" abgestrahlt. Ladung bedeutet + oder - ... Elementarteilchen als Ladungsträger sind Elektronen oder Protonen (Materie) ... abgestrahlt werden aber Photonen. Photonen sind "Energie-Teilchen" .... Energie und Ladung ist aber etwas völlig anderes. Also, letztendlich wird einfach nur Energie abgestrahlt ... in Form von Licht. Und das Entscheidende: Es wird Licht einer einzigen Wellenlänge abgestrahlt (zumindest ist das das Grundprinzip ... sozusagen die ursprüngliche Idee).

Ich glaube, Du solltest Dir nochmal klar machen was Licht ist. Licht ist eine Elektro-Magnetische Welle ... eine Energie-Welle. Unter bestimmten Umständen macht es aber Sinn, sich Licht eher als Teilchen vorzustellen, die man dann Photonen nennt. Sichtbares Licht, Wärmestrahlung, Radiowellen, Gammastrahlung, Elektro-Magnetische Strahlung, Photonen ... das ist alles das Selbe (nur die Wellenlänge ist unterschiedlich). Ladung ist aber etwas anderes! ... Nur die Austauschteilchen, die zwischen Ladungen vermitteln, das sind meines Wissens wieder Photonen!


In einem Punkt bin ich mir nicht ganz sicher - das können aber die Praktiker hier sicher sofort beantworten: Die Ausgangswelle, die die Kettenreaktion auslöst: Muss die extra erzeugt werden, oder reicht schon die Pump-Quelle? Im Falle einer Blitzlampe z.B. hat man ja Licht vieler verschiedener Wellenlängen ... also höchstwahrscheinlich auch genau der einen richtigen Wellenlänge, die die Elektronen im Medium dazu anregt, auf ein niedrigeres Energie-Niveau zu springen.

[Dr.Ulli]

Danke DeadEyeTaki! Das ist schon ganz gut beschrieben...
mehr gibt´s z.B. hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Laser

Das Kunstwort "LASER" sagt eigentlich schon alles: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Der Prozess wird angeworfen durch die ersten "spontan" emmitierten Photonen (von schon angeregten Atomen). Diese treffen auf weitere angeregte Atome und "stimulieren" dort die Aussendung von Photonen mit gleicher Energie (Farbe), gleicher Phasenlage (Kohärenz) und gleicher Richtung (Laserstrahl).