Sexl Physik 7, Schulbuch

| 50 Sicherheitshinweis Da Laserstrahlen praktisch parallele Licht- bündel sind, ist ihre Energie auch bei gro- ßen Abständen von der Lichtquelle auf einen feinen Strahl konzentriert. Beim Ar- beiten mit Lasern darf kein Laserlicht – we- der direkt noch durch Reflexion – ins Auge treffen, da sonst die Netzhaut zerstört wird. Laserpointer sind kein Spielzeug. Ihre Leis- tung darf 1 mW nicht übersteigen. 50.1 Warnzeichen für Laserstrahlung. Es muss an allen Arbeitsplätzen mit Laserbetrieb angebracht sein, wenn die Laserleistung 1 mW übersteigt. Während des Laserbetriebs muss eine Warnleuchte eingeschaltet sein. U 4 kV Spiegel Helium-Neon-Gemisch halbdurchlässiger Spiegel Laserstrahl Spannungsquelle Elektron He He Ne Ne angeregt Stoß Stoß stimulierte Emission E (ev) E (ev) E (ev) Helium Neon Neon metastabil 20,61 20,66 20,66 18,70 18,70 Grund- zustand 50.2 Aufbau und Funktion eines Helium- Neon-Lasers: Die mit einem Gemisch aus Helium und Neon gefüllte Röhre ist an den Enden durch Spiegel abgeschlossen, wobei einer der Spiegel teilweise lichtdurchlässig ist. Durch eine Hochspannungsentladung werden Elektronen in der Röhre beschleu- nigt. Sie übertragen durch Stöße Energie auf die Heliumatome und bringen sie dabei in einen angeregten Zustand He*. Bei Stößen mit Neonatomen übertragen die He-Atome ihre Energie auf Neonatome, die dadurch in einen vergleichsweise langlebigen angeregten Zustand gelangen. Stimulierte Emission führt zu einer Photonenlawine. 2.4 Laser Laser erzeugen Licht mit besonderen Eigenschaften: monochromatisch (eine einzi- ge Frequenz), kohärent (eine einheitliche Phase aller einzelnen Photonen), polari- siert, ein nahezu paralleler Strahl und dadurch eine hohe Energiedichte. Licht in Wechselwirkung mit Atomen a) Streuung: Wenn Licht auf Atome trifft und dabei die Energie der Photonen kei- ner möglichen Anregungsenergie entspricht, werden die Photonen elastisch ge- streut, d. h. ohne Energieverlust. Meist ändert sich die Richtung der Photonen, der atomare Zustand ändert sich nicht. (Das gestreute Licht kann zum Auge ge- langen, wodurch wir nichtleuchtende Objekte sehen können.) b) Resonanzabsorption: Wenn die Energie E der Photonen genau der Energiediffe- renz zwischen einem besetzten Energieniveau E 1 und einem unbesetzten höhe- ren Niveau E 2 entspricht, kann es absorbiert werden. Dabei wird das Elektron in den höheren Energiezustand „gehoben“. c) Spontane Emission: In der Regel geht das Elektron von selbst (spontan) unter Abstrahlung eines Photons nach etwa 10 –8 s wieder von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand. Die Atome von Gasen oder Festkörpern strahlen von- einander unabhängig. Dies führt zu inkohärentem Licht. (Dieser Vorgang spielt sich in allen selbstleuchtenden Körpern ab, von der Sonne bis zur Glühlampe.) d) Stimulierte Emission: Wenn ein Lichtquant mit der Energie E = E 2 – E 1 auf ein angeregtes Atom im Energiezustand E 2 trifft, so kann es nicht absorbiert werden. Es kann jedoch die Emission eines Lichtquants mit gleicher Energie und gleicher Phase bei gleichzeitiger Rückkehr des Elektrons auf das Energie- niveau E 1 auslösen. Dadurch gibt es nun zwei Photonen derselben Energie, also eine Lichtverstärkung. (Diesen Effekt sagte e inStein im Jahr 1917 vorher.) Das Prinzip des Lasers beruht auf der stimulierten Emission. Das Wort LASER ist eine Abkürzung für Light amplification by stimulated emission of radiation. Für Laser braucht man Materialien mit höheren Energieniveaus, in denen Elektro- nen etwa 10 –4 s (statt 10 –8 s ) verweilen. Wenn viele Elektronen in einem solchen Ni- veau gesammelt wurden, kann ein einziges Photon durch stimulierte Emission eine Lawine von Photonen auslösen. Ein Beispiel ist der Helium-Neon-Laser. ( 50.2 ) Beispiel: Helium-Neon-Laser Ein Gemisch aus Helium und Neon befindet sich bei einem Druck von ca. 1 mbar in einer Glasröhre. Mit etwa 4 kV wird eine Gasentladung gezündet. Die beschleunigten Elektro- nen übertragen durch Stoß Energie auf He-Atome. He-Atome werden in das langlebige Niveau von 20,61 eV angeregt. (Die Energien der angeregten Niveaus werden hier rela- tiv zum Grundzustand angegeben und sind daher positiv.) Ein spontaner Strahlungsübergang in den Grundzustand erfolgt aus diesem Niveau erst nach etwa 1 ms. In dieser Zeit finden viele Stöße der He-Atome mit Ne-Atomen statt, wobei die Anregungsenergie (und etwas kinetische Energie) übertragen werden kann. Dadurch gelangen Ne-Atome in einen ebenfalls langlebigen angeregten Zustand von 20,66 eV. Wesentlich weniger Ne-Atome befinden sich auf dem um 1,96 eV niedrigeren Niveau von 18,7 eV. Damit ist eine wesentliche Bedingung für den Lasereffekt erreicht: Mehr Atome können Photonen mit der Energie von 1,96 eV emittieren als absorbieren. Ein zufällig spontan emittiertes Photon stimuliert die Emission eines weiteren, die zwei Photonen stimulieren weitere zwei Emissionen, … die Zahl der Photonen schwillt lawi- nenartig an. Damit ein Laserstrahl entsteht, müssen die Photonen zwischen zwei parallelen Spie- geln hin und her reflektiert werden, sie lösen dadurch weitere Emissionen aus. ( 50.2 ) Das Spiegelsystem bildet mit weiteren optischen Elementen einen Resonator. Alle Pho- tonen bewegen sich parallel. Der Spiegelabstand muss ein exaktes Vielfaches von λ /2 sein, damit sich eine stehende Lichtwelle mit großer Intensität bildet. Einer der beiden Spiegel ist teilweise lichtdurchlässig, durch ihn kann der Laserstrahl austreten. Welche Wellenlänge und welche Farbe hat der He-Ne-Laserstrahl? Die Wellenlänge λ der Photonen ist durch ihre Energie E bestimmt: λ = hc / E . Für E = 1,96 eV ergibt sich λ = 633 nm, also erzeugt der He-Ne-Laser rotes Licht. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv