Big Bang HTL 4, Schulbuch

134 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Einsatzbereich Computer und Medien CD, DVD und Blu Ray lesen und schreiben, Datenübertragung in Glasfaserkabeln, Laserdrucker Materialbehandlung bohren, schneiden, schweißen Wissenschaft Entfernungsmessung des Mondes, Laserkühlung, Holografie, „Beamen“ Messtechnik Scannerkassa, Laserzieleinrichtung (infrarot) bei Radarmessung, Brandmelder Medizin Laserskalpell, Hornhaut verändern Militär Lenksysteme für Raketen, Visiereinrichtung für Gewehre Tab. 14.2: Einige Einsatzmöglichkeiten des Lasers Helium-Neon-Laser In Schulen wird zum Experimentieren meistens ein Helium- Neon-Laser verwendet (Abb. 14.17). Helium fungiert als Pumpgas , Neon als Lasergas . Das Gasgemisch hat nur rund 1/1000 des normalen Luftdrucks. Abb. 14.17: Prinzip des Gaslasers, der in Schulen verwendet wird Das Erzeugen von Laserlicht funktioniert so: Durch die ange- legte Spannung fließen Elektronen durch das Gas. Sie sto- ßen mit den Heliumatomen zusammen und heben deren Elektronen auf ein metastabiles Niveau (Abb. 14.18 a). Wenn ein angeregtes Heliumatom mit einem im Grundzustand befindlichen Neonatom zusammenstößt, dann kann die vor- her aufgenommene Energieportion auf dieses übertragen werden (b). Abb. 14.18: Energieübergänge beim He-Ne-Laser: Das Pumpen erfolgt durch Zusammenstöße zwischen Elektronen und Heliumatomen. Beim Übergang c erzeugen die Neonelektronen rotes Laserlicht mit 632nm. Die Erzeugung von Laserlicht findet statt, wenn das Neon-Elektron durch stimulierte Emission ein Photon aus- sendet (c). Danach fällt es wieder auf den Grundzustand zurück (d). Weil die Prozesse a bis d in den verschiedenen Atomen gleichzeitig ablaufen, kann dieser Laser Dauerlicht aussenden. i Zusammenfassung Ein Laser sendet Photonen aus, die sich in allen Merkmalen gleichen. Man spricht von kohärentem Licht. Ermöglicht wird das durch die Kombination von Metastabilität und stimulierter Emission. Halbleiterlaser Halbleiter sind Kristalle, deren Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Nichtleitern liegt. Sie haben meistens 4 Valenzelektronen und werden absichtlich mit anderen Stoffen „verunreinigt“, die 3 oder 5 Valenzelektronen besit- zen. Dadurch entsteht ein relativer Elektronen-Überschuss oder -Mangel (Abb. 14.19, F10 ). Abb. 14.19: Wird Silizium mit Arsen „verunreinigt“ (5 Valenzelektronen), erhält man ein Elektron, das frei herumschwirren kann. Nimmt man aber Bor (3 Valenzelektronen), erzeugt man quasi ein „Elektronenloch“, das man als positive Ladung interpretieren kann. Bei einem Halbleiterlaser bringt man p- und n-Schicht knapp aneinander und legt Spannung an (Abb. 14.20). Dadurch werden die freien Elektronen praktisch aus der n-Schicht in die Elektronenlöcher „geschoben“ – ein energe- tisch niedrigerer Zustand. Die Energie wird in Form von kohärentem Licht frei! Der Vorteil des Halbleiterlasers liegt in seiner Winzigkeit. Abb. 14.20: links: schematischer Aufbau eines Halbleiterlasers; rechts: Halbleiterlaser im Vergleich mit einer Ein-Cent-Münze i Abb. 14.21: In vielen Fällen erfolgt heute der Datentransport mit Hilfe von gepulstem Laserlicht durch Glasfaserkabel . Das Licht kommt von Laserdioden und kann die Faser nicht verlassen, weil es im Inneren totalreflektiert wird. Z Nur zu Prüfzweck n – Eigentum des Verlags öbv