Big Bang 7, Schulbuch

84 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik Um kohärentes Licht zu erzeugen, muss man Metastabilität mit stimulierter Emission verbinden. Sehen wir uns dazu den ersten je gebauten Laser an (Abb. 35.19), weil man an diesem das Prinzip am Einfachsten erkennt. Das Material, das metastabile Niveaus ermöglicht, ist dabei ein Rubin- kristall . Um diesen herum befindet sich eine spiralförmige Blitzlampe. Diese erzeugt einen Lichtblitz und hebt damit die Elektronen des Rubins auf ein höheres, „normales“ Ener- gieniveau (Abb. 35.21 a). Diesen Vorgang nennt man pum- pen. Dann fallen die Elektronen auf das metastabile Niveau zurück (b). Akronym Das Wort Laser ist ein sogenanntes Akronym . Darunter ver- steht man generell Wörter, die aus den Anfangsbuchstaben oder Abkürzungen anderer Wörter bestehen. Laser steht zum Beispiel für „ L ight A mplification by S timulated E mis- sion of R adiation“. Übersetzt bedeutet das so viel wie „Licht- verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Es geht hier also um die stimulierte Emission von Photonen. In Wissenschaft und Technik wimmelt es nur so von Akrony- men: NASA ( N ational A eronautics and S pace A dministra- tion), ESA ( E uropean S pace A gency), RADAR ( Ra dio D etec- tion A nd R anging), PET ( P ositron E missions T omografie), PC ( P ersonal C omputer), CD ( C ompact D isc), DVD ( D igital V ersatile D isc), CERN ( C onseil E uropeen pour la R echerche N ucleaire), DESY ( D eutsches E lektronen Sy nchrotron) oder SOHO ( So lar and H eliospheric O bservatory), um nur einige wenige zu nennen. i Abb. 35.19: T HEODORE M AIMAN und sein von ihm erfundener Rubinlaser : Der schrauben- förmige Glaskörper ist der Blitz, mit dem die Elektronen „hinaufgepumpt“ werden. Der Stab in der Mitte ist der Rubinkristall. Abb. 35.20: a) Normales Licht ist eine Mischung aus allen möglichen Farben. b) Einfärbiges (monochromatisches) Licht beinhaltet nur eine Frequenz, die Wellenzüge haben aber unterschiedliche Rich- tungen und Phasen. c) Laserlicht besteht aus Photonen, die sich in allen Merkmalen gleichen. Es ist kohärent. Die Energie wird dabei nicht in Form von Strahlung frei, sondern mechanisch an das Kristallgitter abgegeben. Weil sich jetzt mehr Elektronen in angeregtem Zustand befinden als im Grundzustand, spricht man nun von einer Inversion , also von einer Umkehrung . Und dann passiert es: Irgendein Elektron fällt spontan als erstes vom metastabilen Niveau und löst bei allen anderen Elektronen eine stimulierte Emission aus (c). Dabei entste- hen völlig identische Photonen. Daher auch der Name zu- sammenhängendes (kohärentes) Licht. Die Wellenlänge beträgt beim Rubinblitzlaser 694nm. Rotes Licht also! Wenn sich alle Elektronen auf dem Grundniveau befinden, müssen sie wieder „hinaufgepumpt“ werden. Deshalb kann der Rubinlaser das Licht nur in Impulsen abgeben. Aber be- reits 1961 wurde ein Gaslaser erfunden, der kontinuierliches Licht abgeben kann. Die größte unmittelbare Rolle im Alltag spielen aber die Halbleiterlaser . Sie werden bei CD, DVD und Blu-Ray, Laserdruckern, Laserpointern, zur Datenübertra- gung in Glasfaserkabeln oder bei der Scannerkasse im Su- permarkt eingesetzt (siehe Kap. 35.5). Info: Helium-Neon-Laser Info: Halbleiterlaser 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. Z Abb. 35.21: Schematische Darstellung der Funkti- onsweise eines Rubinlasers: Zwischen dem Pumpen (a) und dem Aussenden des Licht- blitzes (c) liegen nur etwa 3/1000 Sekunden. Die entstehenden Photonen werden hin und her reflektiert. Rund 2% verlassen bei jeder Reflexion den Laser durch den halbdurch- lässigen Spiegel. Der Abstand der Spiegel ist genau so groß, dass sich dazwischen eine stehende Lichtwelle ausbilden kann. Wich- tig: Oben sind die Energieniveaus mehrerer Atome zusammengefasst dargestellt. Nach dem Pauli-Verbot darf ein Niveau ja mit nur maximal zwei Elektronen besetzt sein. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv