Laser - Funktionsweise

Laser - Funktionsweise

  1. Energiezufuhr aus einer externen Energiequelle (= von außen). Diesen Vorgang nennt man "Pumpen", weil die Energie sozusagen hineingepumpt wird.Schema eines LASER
    Die Energie kann aus unterschiedlichen Quellen stammen. Dies kann beispielsweise eine Gasentladung, ein elektrischer Strom, sichtbares Licht oder eine chemische Reaktion sein. Ist die Energiequelle sichtbares Licht, spricht man auch von einer Optischen Pumpe.

  2. Die Energie gelangt in den sogenannten Resonator. Der Resonator ist die Kammer, in welcher der Laserstrahl erzeugt wird. Hier ist die Feldstärke viel höher als in dem Strahl, der den Resonator verlässt.

  3. Das Aktive Medium befindet sich im Resonator. Vom verwendeten Lasermedium ist die Wellenlänge (siehe unten) des erzeugten Strahles abhängig.
    Das aktive Medium stellt die eigentliche Raffinesse der Lasertechnologie dar. Um die Funktionsweise des Lasers zu erklären, muss man die physikalischen Vorgänge beschreiben, was ich im Folgenden versuchen werde.

    Ein Atom besteht - vereinfacht - aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern, der sehr schwer ist, und aus Schalen, auf denen die kleinen, negativ geladenen Elektronen sitzen, vergleichbar mit einem Sonnensystem, in dem die Planeten (Elektronen) um die Sonne (Atomkern) kreisen. Allerdings können im Atom auf einer Schale auch mehrere Elektronen sitzen.Schema eines Lithium-Atoms
    Da die positive Ladung des Atomkerns und die negative Ladung der Elektronen sich aufheben, ist ein Atom nach außen hin nicht geladen. Innerhalb des Atoms besteht jedoch ein elektrisches Feld, vergleichbar mit einem magnetischen Feld zwischen dem Nordpol des einen und dem Südpol des anderen Magneten. Somit sind die Schalen nicht lediglich Umlaufbahnen, sondern auch Energieebenen (Energieniveaus) dieses elektrischen Feldes. Ein weiter vom Atomkern entferntes Elektron befindet sich auf einem höheren Energieniveau.
    Die Elektronen können sich lediglich auf den Schalen, die ganz bestimmte Abstände vom Atomkern haben, befinden, und auf keinen Fall dazwischen.
    Spontane EmissionWenn ein Elektron sich auf einem höheren Energieniveau befindet, kann es passieren, dass es spontan, das heißt ohne äußere Einflüsse, auf ein niedrigeres Energieniveau springt. Dabei wird Energie frei in Form eines Photons, man nennt diesen Vorgang spontane Emission. Photonen werden auch Lichtteilchen genannt. Vereinfacht gesagt ist ein Photon eine elektromagnetische Welle, kann also auch eine Lichtwelle sein.
    AbsorptionAnders herum kann es aber auch passieren, dass ein Photon, das von außen kommt, ein Elektron von einem niedrigen Energieniveau auf ein höheres anhebt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Absorption, da die im Photon enthaltene Energie absorbiert wird.
    Im Aktiven Medium des Lasers findet ein dritter Vorgang statt, den bereits Albert Einstein vorhersagte:
    Stimulierte EmissionWenn sich mehr Elektronen auf einem höheren Energieniveau befinden als auf einem niedrigeren (Besetzungsinversion = Besetzungsumkehrung, da in natürlichen Systemen das Gegenteil der Fall ist und sich mehr Elektronen auf dem niedrigen Energieniveau befinden als auf dem höheren), wird ein von außen kommendes Photon nicht absorbiert, da das höhere Energieniveau bereits besetzt ist. Statt dessen werden die Elektronen angeregt, auf das niedrigere Energieniveau zu springen und dabei ein weiteres Photon auszusenden, das sich genau gleich verhält wie das Photon, das von außen kam. Das heißt, diese beiden Elektronen haben dann die gleiche Wellenlänge (Farbe) und die gleiche Richtung. Dieser Vorgang heißt stimulierte Emission, da die Aussendung des Photons angeregt wird, und stellt die Grundlage der Lasertechnologie dar.
    Da hier Licht, das von außen kommt, verstärkt wird, spricht man statt vom Aktiven Medium auch von einem Verstärkermedium.

  4. Durch diesen Vorgang entsteht der Laserstrahl. Da er zunächst nicht aus dem Resonator austreten kann, verstärkt er sich durch eine Kettenreaktion selbst immer mehr. Der Strahl innerhalb des Resonators ist viel stärker als jener, der austritt.

  5. Normalerweise (nicht bei allen Modellen) befindet sich am hinteren Ende ein Spiegel, der oft gekrümmt ist. Dieser Spiegel wirft das Licht zurück. Da sich auch am vorderen Ende ein Spiegel befindet, wird das Licht immer hin- und hergeworfen. Der Abstand der Spiegel wird in Abhängigkeit der Wellenlänge gewählt, sodass eine stehende Welle entsteht. Das bedeutet, dass die Spiegel genau so weit voneinander entfernt sind, dass die zurückgeworfene Welle genauso im Raum liegt wie auf ihrem Weg zu Spiegel, sie überlagert sich also mit sich selbst.

  6. Ein teildurchlässiger Spiegel am vorderen Ende des Apparates wirft zwar einen Teil des auftreffenden Lichtes zurück in den Resonator, lässt jedoch einen anderen Teil hindurch. Da normalerweise mehr Licht zurückgeworfen als ausgekoppelt wird, ist innerhalb des Resonators die Energie viel größer als außerhalb.

  7. Der Laserstrahl ist schließlich das Ergebnis dieser aufwendigen Vorrichtung. Er kann sehr energiereich werden und verfügt über weitere wertvolle Eigenschaften. Er kann entweder gepulst, das heißt in regelmäßigen kurzen Zeitintervallen, oder andauernd abgegeben werden.

Das elektromagnetische Spektrum

Dieses Bild zeigt das sogenannte elektromagnetische Spektrum. Auch sichtbares Licht ist nur eine elektromagnetische Welle. Ob eine elektromagnetische Welle für uns sichtbar ist, hängt von ihrer Wellenlänge ab. Links vom sichtbaren Bereich sind die kurzwelligen Strahlungsarten aufgetragen, rechts davon die langwelligen.
Ein Laser sendet elektromagnetische Wellen aus, die immer genau die gleiche Wellenlänge haben. Welche Wellenlänge dies ist, hängt vom verwendeten aktiven Medium ab. Ein Laserstrahl kann, muss aber nicht sichtbar sein.
(Quelle, 11.07.08)