Sexl Physik 7, Schulbuch

3.4 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. b ) Resonanzabsorption: Wenn die Energie E der Photonen genau der Energiediffe- renz zwischen einem besetzten Energieniveau E 1 und einem unbesetzten höheren Niveau E 2 entspricht, kann es absorbiert werden. Dabei wird das Elektron in das höhere Energieniveau „gehoben“. c ) Spontane Emission: In der Regel geht das Elektron von selbst (spontan) unter Abstrahlung eines Photons nach etwa 10 –8 s wieder vom höheren in ein niedrigeres Energieniveau. In selbstleuchtenden Körpern, von der Sonne bis zur Glühlampe, strahlen Atome voneinander unabhängig: Dies führt zu inkohärentem Licht. d ) Stimulierte Emission: Wenn ein Lichtquant mit der Energie E = E 2 − E 1 auf ein angeregtes Atom im Energieniveau E 2 trifft, so kann es nicht absorbiert werden. Es kann jedoch die Emission eines Lichtquants mit gleicher Energie und gleicher Pha- se bei gleichzeitiger Rückkehr des Elektrons auf das Energieniveau 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 La- ser braucht man Materialien mit höheren Energieniveaus, in denen Elektronen etwa 10 −4 s (statt 10 −8 s ) verweilen. Wenn viele Elektronen in einem solchen Niveau gesammelt wurden, kann ein einziges Photon durch stimulierte Emission eine La- wine von Photonen auslösen. Ein Beispiel ist der Helium-Neon-Laser ( 111.2 ). Beispiel: Helium-Neon-Laser Ein Gemisch aus Helium und Neon befindet sich bei einem Druck von ca. 1mbar in einer Glasröhre. Durch Hochspannung werden Elektronen beschleunigt, sie übertragen durch Stoß Energie auf He-Atome. Diese werden in das langlebige Niveau von 20,61 eV angeregt. (Die Energien der angeregten Niveaus werden hier relativ zum Grundzustand angegeben und sind daher positiv.) Ein spontaner Strahlungsübergang in den Grundzustand erfolgt aus diesem Ni- veau erst nach etwa 1ms . 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 lang- lebigen angeregten Zustand von 20,66 eV. Nur wenige Ne-Atome befinden sich auf dem um 1,96 eV niedrigeren Niveau von 18,70 eV, da die Ne-Atome von diesem Ni- veau sehr schnell zum Grundzustand zurückkehren. 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 emittiertes Photon stimuliert die Emission eines weiteren, die zwei Photonen stimulieren weitere zwei Emissionen, … die Zahl der Photonen schwillt lawinenartig an. Damit ein Laserstrahl entsteht, müssen die Photonen zwischen zwei parallelen Spiegeln hin und her reflektiert werden, sie lösen dadurch weitere Emissionen aus ( 111.2 ). Das Spiegelsystem bildet mit weiteren optischen Elementen einen Resonator. Alle Photonen 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 Wellen- länge λ der Photonen ist durch die Energie E des Laserübergangs bestimmt: λ = h · c / E . Für E = 1,96 eV ergibt sich λ = 633nm , also erzeugt der He-Ne-Laser rotes Licht. Sicherheitshinweis Da Laserstrahlen praktisch parallele Licht- bündel sind, ist ihre Energie auch bei großen Abständen von der Lichtquelle auf einen feinen Strahl konzentriert. Beim Arbeiten mit Lasern darf kein Laserlicht – weder direkt noch durch Reflexion – ins Auge treffen, da sonst die Netzhaut zerstört wird. Laserpointer sind kein Spielzeug. Ihre Leistung darf 1mW nicht übersteigen. 111.1 Warnzeichen für Laserstrahlung. Es muss an allen Arbeitsplätzen mit Laserbetrieb angebracht sein, wenn die Laserleistung 1mW übersteigt. Während des Laserbetriebs muss eine Warnleuchte eingeschaltet sein. U 4 kV Spiegel Helium-Neon-Gemisch halbdurchlässiger Spiegel Laserstrahl Spannungsquelle 111.2 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 ei- ner der Spiegel teilweise lichtdurchlässig ist. Durch eine Hochspannungsentladung werden Elektronen in der Röhre beschleunigt. Sie über- tragen durch Stöße Energie auf die Helium- atome und bringen sie dabei in einen ange- regten Zustand. Durch Stöße mit Neonatomen übertragen die He-Atome ihre Energie auf Neonatome, die dadurch in einen vergleichs- weise langlebigen angeregten Zustand ge- langen. Stimulierte Emission führt zu einer Photonenlawine. 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 111 | ATOMPHYSIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv