Chemie Grundlagen

Laser

Wofür das Wort Laser eigentlich steht und warum du ihn dir nicht direkt ins Auge halten solltest, erfährst du hier.

Schau am besten noch unser Video  an. Hierin haben wir für dich die wichtigsten Inhalte bereits audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Laser einfach erklärt

Bei Laserlicht handelt es sich um kohärente, stark gebündelte elektromagnetische Strahlung mit hoher Intensität und sehr engem Frequenzband. Auf dem elektromagnetischen Spektrum bewegt reicht die Laserstrahlung vom Ferninfrarotem-, über das sichtbare-, bis zum Röntgenspektrum.

Merke

Das Wort Laser bezeichnet gleichzeitig das Gerät und den physikalischen Effekt. Laser ist ein Akronym das ausgeschrieben für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ steht. Übersetzt heißt das „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“.

Damit du Licht dieser Qualität erzeugen kannst, benötigt dein Laser mindestens drei Komponenten. 
Zunächst benötigt man ein Lasermedium, welches die Eigenschaften des Lasers weitestgehend bestimmt. Durch optische Übergänge angeregter Atome oder Moleküle in energetisch bevorzugte Zustände, erzeugst du hierin Photonen.  Es gibt verschiedenartige Lasermedien, wie zum Beispiel Gase, Kristalle oder Dioden.

Als nächstes wird ein Pumpmechanismus benötigt. Mit diesem führst du dem Medium die nötige Energie zu, um die Übergänge anzuregen. Das kann zum Beispiel eine Blitzlampe oder eine elektrisch betriebene Gasentladung sein.

Zuletzt benötigst du noch einen Laserresonator. Das ist ein mehr oder weniger komplexes System aus Spiegeln und anderen optischen Elementen. Mit dem Resonator sorgst du für die Rückkopplung und damit die stimulierte Emission. 
Abhängig von der Wahl dieser einzelnen Komponenten, ergeben sich verschiedene Lasertypen, welche sich in den erreichbaren Leistungen und Frequenzeigenschaften unterscheiden.

Laser Aufbau

Die drei Komponenten Lasermedium, Pumpe und Laserresonator sind jedem Laser gemein. Sie bestimmen die Art des Lasers und was du mit diesem erreichen kannst. In Folge erklären wir dir alle drei Komponenten nochmal deutlicher.

Laser Aufbau - Resonators mit Medium und Strahlgang
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Laser Aufbau – Resonators mit Medium und Strahlgang

Lasermedium

Im Lasermedium erzeugst du Photonen. Diese Emission ensteht durch optische Übergänge in angeregten Atomen oder Molekülen. Durch diese Übergänge werden die Teilchen in energetisch günstigere Zustände überführt. Die wichtigste Voraussetzung eines Lasermediums ist, dass eine Besetzungsinversion hergestellt werden kann. Hierzu muss es mindestens über drei Energieniveaus verfügen. Energieniveaus sind Energieeigenwerte quantenmechanischer Systeme. Es ist immer nur möglich das sich ein Atom oder Molekül in einem solchen Niveau befindet. Dabei ist das unterste Niveau der Grundzustand und alle anderen sind angeregte Zustände.  
Besetzungsinversion bedeutet hierbei, dass der obere Zustand eines optischen Überganges mit größerer Wahrscheinlichkeit besetzt ist als der untere. Solche Medien können entweder gasförmig, flüssig oder fest sein. 

Pumpe

Optisches Pumpen bezeichnet den Prozess, mit welchem du dem Medium Energie zuführst. Das geschieht indem das Lasermedium durch eine äußere Energiequelle, wie zum Beispiel anderen Lasern oder einer Blitzlichtlampe, angeregt wird. Damit erreichst du die Besetzungsinversion, ohne dass der Pumpprozess mit der stimulierten Emission konkurriert. Daher wird auf einen anderen quantenmechanischen Übergang gepumpt als letztlich für die Photonenemission verwendet wird.

Laserresonator

Mit einem Laserresonator legst du die Emissionsrate und die Eigenschaften der Photonen fest. Durch Reflexionen lässt du das Medium von einzelnen Photonen mehrfach durchlaufen. Damit werden weitere Emissionen in diese, von dir gewünschte Richtung, stimuliert und eine Verstärkung des Lichtes ermöglicht. Hierzu müssen die Photonen senkrecht zu den reflektierenden Medien propagieren. Die so emittierten Photonen, haben die gleichen Quantenzahlen wie die auslösenden Photonen. Die gegebenenfalls auftretenden spontanen Emissionen, erzeugen selbst keine weiteren Photonen, da sie mit großer Wahrscheinlichkeit nicht senkrecht zu den reflektierenden Medien strahlen. 
Aufgrund dieser Selektion erreichst du eine sehr enge Abstrahlrichtung mit deinen Laserstrahlen.  

Laser Funktion

Du regst die Atome oder Moleküle des Lasermediums auf höhere Energieniveaus an. Damit erzeugst du einen Laserstrahl. Diese Energieniveaus haben eine möglichst lange mittlere Zerfallszeit. Dadurch hältst du die Wahrscheinlichkeit spontaner Emission so gering wie möglich und die Energie des Pumpvorgangs bleibt länger erhalten. Durch fortlaufendes Pumpen wird die gewünschte Besetzungsinversion geschaffen. Das heißt mehr Teilchen befinden sich in einem ihrer angeregten Zustände als in ihrem Grundzustand. 

Nun muss nur noch eine Stimulation durch ein Photon erfolgen, damit ein angeregtes Atom von seinem angeregten- in den Grundzustand zurückfällt. Dabei emittiert es ein Photon in gleicher Richtung und mit gleicher Energie wie das erzeugende Photon. Gleiche Energie bedeutet in diesem Fall, dass das neue Photon die gleiche Frequenz und Wellenlänge wie das ursprüngliche Photon hat. Auch die Phasenlage beider Photonen ist gleich. 

Wie zuvor beschrieben, werden die Photonen im Resonator reflektiert und durchlaufen das Medium mehrfach. Dieser Prozess führt zu einer Kettenreaktion, bei der immer mehr Photonen entstehen, welche ihrerseits immer mehr Photonen erzeugen. 
Eine Seite des Resonators ist teilweise durchlässig, um eine Auslenkung des Laserstrahls zu ermöglichen. Dadurch bleibt die reflektierende Eigenschaft des Resonators erhalten und weitere Emissionen finden statt.

Spontane Emission

Die spontane Emission ist eine quantenmechanische Erscheinung. Sie tritt auf, wenn Atome oder Moleküle bei Übergängen von höheren zu niedrigeren Energieniveaus Photonen aussenden.Es ist nicht möglich, diese Art der Emission vorherzusagen. Es handelt sich um einen Zerfallsprozess dessen Eintreten nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit versehen werden kann. 
Mathematische kannst du sie wie folgt ausdrücken:

\frac{\partial N}{\partial t} \propto n \cdot V

Die Formel sagt aus, dass die Anzahl N der spontanen Emissionen beziehungsweise der angeregten Teilchen pro Volumen V und Zeit t, proportional zur Teilchenzahldichte n im angeregten Zustand ist. 

Stimulierte Emission

Die Funktion des Lasers basiert auf der stimulierten Emission. Hierbei erfolgt die Emission des Photons nicht spontan. Stattdessen regt ein anderes Photon den Übergang auf ein energetisch günstigeres Niveau an, was zur Emission eines Photons führt.

Damit dieser Übergang stattfinden kann, muss ein Photon mit einer Energie, welcher der Energiedifferenz zwischen dem angeregten Niveau und dem Grundzustand entspricht, mit dem angeregten Atom wechselwirken. Dadurch wechselt das angeregte Atom auf den niedrigeren Energiezustand und emittiert ein Photon der entsprechenden Energiedifferenz. Dieses ist kohärent mit dem ursprünglichen Photon und fliegt in die gleiche Richtung wie dieses.

Kohärenz bedeutet, dass das neue Photon die gleiche Energie (Wellenlänge und Frequenz), die gleiche Richtung, die gleiche Polarisation und die gleiche Phasenlage hat wie das eingefallene Photon.

Laser, Stimulierte Emission - Anregung und Übergang des Atoms
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Stimulierte Emission – Anregung und Übergang des Atoms

 

Longitudinale Moden

Abhängig von der Bauart des Resonators, können sich unterschiedlich viele stehende Wellen, bestimmter Wellenlängen, darin ausbilden.  Somit können bestimmte Wellenlängen und deren Vielfache von einem solchen Resonator besonders verstärkt werden. Derart verschiedene Schwingungsformen bezeichnest du als Moden. Mit der Zahl der longitudinalen Moden, weißt du wie viele Wellen im Resonator schwingen können. Schwingungen längs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung bezeichnest du als longitudinal. Es handelt sich dabei um Intensitätsberge und -täler im Abstand einer halben Wellenlänge. 
Bei Lasern unterscheidest du zwischen Single-Mode-Lasern, die nahezu auf nur einer Frequenz schwingen, und Multi-Mode-Lasern.

Transversale Moden

Eine transversale Mode bezeichnet die Verteilung der Phasenlage der Welle senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Folglich führt eine Mode, welche nicht senkrecht zu den Resonatorspiegeln verläuft, zu einer Verschiebung der Laserfrequenz. Der Grund hierfür ist die vergrößerte Resonatorlänge, die nun zur Ausbildung stehender Wellen mit Knoten im Laserprofil führt. 

Benutzt du einen zylindrischen Resonator bildet dein Strahl idealerweise ein Gauß-Profil aus. Bei Moden, die nicht senkrecht zu den Resonatorspiegeln verlaufen, bilden sich stattdessen Profile mit radialen- und Winkelabhängigkeiten aus. Durch diese wirkt die Resonatorlänge verändert, da die Weglänge zwischen den Spiegeln verändert ist. Dadurch können die Longitudinalmodenspektren verfälscht werden, da sich verschiedene Transversalmoden überlagern. 

Laser Eigenschaften

Es ist nicht möglich eine allgemeine Aussage über die Eigenschaften eines Lasers zu machen. Diese werden nämlich durch verschiedene Aspekte festgelegt. Vorrangig bestimmt der Resonator eines Lasers dessen Qualitäten. Dass Laser immer eng gebündelte Strahlen geringer Frequenzbreite sind, ist in diesem Zusammenhang auch nicht richtig. 
Was aber stimmt ist, dass mit Lasern Licht ausgezeichnet manipuliert werden kann und dessen Eigenschaften es ermöglichen die Strahlen sehr eng zu bündeln. Damit erreichst du sehr hohe Leistungsdichten. 

Die relevantesten Eigenschaften von Lasern sind die Kohärenz, die Polarisation und die Frequenz bzw. Wellenlänge.

Im Unterschied zu anderen Lichtquellen besteht das Licht eines Lasers nicht nur aus einer Wellenlänge. Die Wellen sind auch zueinander fast phasensynchron. Daher kommt auch der Begriff der Kohärenzlänge. Dieser Begriff gibt dir eine Aussage darüber, über welche Strecke die Wellen eines Lasers phasengleich sind. 

Die Polarisation einer Transversalwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Bei Lasern haben alle Wellen die gleiche Polarisation. Meistens ist diese Linear, aber abhängig vom Anwendungsgebiet werden auch andere Polarisationen eingestellt. Erreicht werden verschiedene Polarisationen durch optische Bauteile im Resonator oder im Strahlengang. 

Die Wellenlänge des Lasers wird durch das Lasermedium vorgegeben. Abhängig von dessen Energieübergängen, kann das Medium auf verschiedenen Wellenlängen oder nur auf einer sehr engen Bandbreite zum Lasern angeregt werden.

Polarisation, Kohärenz und Frequenz, Laser Eigenschaften
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Polarisation, Kohärenz und Frequenz

Laser Gefahren

Laser richten, in Abhängigkeit von der Leistung, Schäden an biologischem Gewebe an. 
Bereits Leistungen im Milliwatt Bereich schädigen das Auge. Die Linse fokussiert dabei den parallelen Laserstrahl auf die Netzhaut. Dadurch entstehen Schäden auf der Netzhaut die zu partieller Erblindung führen.

Höhere Leistungen führen zu Sonnenbrand ähnlichen Schäden auf der Haut die auch Hautkrebs bedingen können. Diese Schädigung kann bis hin zu schweren Verbrennungen reichen.

Aufpassen solltest du vor Allem auf Streulicht. Bereits an einer Wand oder sonstigen Oberfläche reflektiertes Laserlicht führt zu den entsprechenden Schädigungen. Daher sind beim Umgang mit Lasern, auch immer die Laserschutz Vorkehrungen zu berücksichtigen. 

Laser Anwendung

Die Entwicklung des Lasers hat unsere Welt maßgeblich verändert. Er hat Einzug in alle Bereiche unseres Lebens gefunden. 

Im Alltag findest du Laser in Laserdruckern und vom CD- bis zum Blue-Ray-Disc-Spieler in jedem optischen Laufwerk. Du kennst aber sicherlich auch den Laserpointer, der das Wort Laser schon im Namen trägt. Aber auch bei jedem Einkauf an der Kasse werden Laser benutzt, um die Strichcodes der Waren zu identifizieren.

Natürlich gibt es noch etliche andere Anwendungsgebiete im Alltag.

Aber auch darüber hinaus zur Datengewinnung, in der Industrie, der Medizin, Wissenschaft und dem Militär werden Laser ständig verwendet. 

Du siehst also, Laser sind nicht bloß Geräte der Science-Fiction. Der Laser ist essentieller Bestandteil unseres täglichen Lebens.

 


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