Laser

Hallo und herzlich willkommen bei Physik mit Kalle! Wir wollen uns heute aus dem Gebiet "Schwingungen und Wellen" mit dem Laser beschäftigen. Für dieses Video solltet ihr euch schon ein wenig mit elektromagnetischen Wellen und den Elektronenübergängen im Atom auskennen, also zum Beispiel schon den Film über das BOHRsche Atommodell gesehen haben. Wir lernen heute, was ein Laser ist, worum es sich genau bei stimulierter Emission handelt und wie das ganze zu einem Laserstrahl führt - am Beispiel des Rubinlasers. Der Begriff Laser bezeichnet sowohl den physikalischen Vorgang, mit dem spezielle kohärente Strahlung erzeugt wird, als auch die Quellen dieser Strahlung. Der Begriff Laser ist ein Akronym, das heißt ein Wort, das sich aus den Anfangsbuchstaben mehrerer Wörter zusammensetzt. Und diese Wörter sind: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Das bedeutet auf deutsch so viel wie "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung". Und die stimulierte Emission ist sozusagen das Geheimnis des Lasers. Und wie sie genau funktioniert, das wollen wir uns im nächsten Kapitel ansehen. Die stimulierte Emission ist ein Spezialfall der Photonenerzeugung durch Elektronenübergänge. Wir wollen uns aber - bevor wir sie uns genauer ansehen - erst noch mal die spontane Emission ins Gedächtnis zurückrufen, a) zum besseren Verständnis und b) weil wir sie auch gleich noch brauchen. Trifft ein Photon auf ein Elektron und hat es genau die Energie, die das Elektron benötigt, um auf einen höheren Zustand zu springen, dann wird das Photon absorbiert und das Elektron springt in den höheren Zustand. Ein auf diese oder andere Weise angeregtes Elektron wird irgendwann - früher oder später - zurück in den Grundzustand springen. Dabei gibt es den Energieunterschied wieder als Photon ab; mit beliebiger Richtung und Phase. Dies nennt man spontane Emission. Von stimulierter Emission spricht man dagegen, wenn ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron trifft. Dabei muss die Energie des Photons genau gleich der Energiedifferenz zu einem Zustand niedrigerer Energie des Elektrons sein. Das Elektron wird dann dazu angeregt, in den Zustand niedrigerer Energie überzugehen. Dabei werden zwei Photonen emittiert, die die gleiche Wellenlänge, Richtung und Phase haben; die also kohärent sind, wie man sagt. Bei der stimulierten Emission wird also das zweite Photon quasi kopiert. Warum genau das passiert, ist gar nicht so einfach zu erklären. Stellt euch einfach vor, das Elektron sieht das Photon und denkt sich, "Oh ja stimmt, der Übergang geht grad gut, da mach' ich mit", und sendet ein zweites Photon dazu. Diesen Vorgang nennt man also stimulierte Emission. Wir merken uns: Trifft ein Photon auf ein angeregtes Elektron (und ist seine Energie gleich der Energiedifferenz zu einem Zustand niedrigerer Energie), so geht das Elektron in den niederenergetischen Zustand über und es werden 2 Photonen emittiert, die die gleiche Phase, Wellenlänge und Richtung des auslösenden Photons haben. Dies nennt man stimulierte Emission. Und die Grundidee des Lasers ist, viele stimulierte Emissionen hintereinander zu haben, damit man eine große Menge von Photonen mit genau gleicher Phase, Wellenlänge und Richtung bekommt. Da sich ein Photon, das sich durch ein Material bewegt aber normalerweise eher ein unangeregtes als ein angeregtes Elektron trifft, bringt uns das zu einem zweiten Problem: Damit wir mehr stimulierte als spontane Emission haben, müssen in dem Stoff, in dem wir unseren Laser erzeugen, mehr angeregte als unangeregte Elektronen sein. Diesen Zustand nennt man Besetzungsinversion. Und damit die stimulierte Emission überwiegt, brauchen wir also dringend diese Besetzungsinversion. Und wie man die erreicht, wollen wir uns im letzten Kapitel am Beispiel des Rubinlasers ansehen. In einem Rubinlaser wird, wie der Name schon sagt, der Laserstrahl in einem Rubin erzeugt. Das Lasermedium, oder - wie man auch sagt - das optisch aktive Medium ist also ein Rubinstab. An der Vorder- und Rückseite meines Rubinstabes bringe ich nun zwei Spiegel an: Einen, der alles reflektiert, der also eine Reflektivität von 100 % hat; und einen, der ein klein wenig durchlässt, der also zum Beispiel eine Reflektivität von 95 oder 98 % hat. Nun brauche ich noch - wie wir gerade schon festgestellt haben - zwei Dinge: Nämlich erstens Besetzungsinversion und zweitens Photonen, denn irgendwie muss ich den Stein ja auch ins Rollen bringen. Man erreicht beides durch eine Blitzlichtlampe. Diese sorgt für eine Energiezufuhr, die erstens viele Elektronen anregt und zweitens Photonen durch spontane Emission erzeugt. Man nennt das "optisches Pumpen". Da wir nun mehr angeregte als unangeregte Elektronen haben, werden die durch spontane Emission erzeugten Photonen durch stimulierte Emission immer weiter verstärkt. Unser Laserstrahl wandert dabei, von den beiden Spiegeln reflektiert, immer wieder durch den Rubinkristall. Er wird dadurch - durch viele einzelne stimulierte Emissionsvorgänge - immer weiter verstärkt. Das heißt, es kommen laufend Photonen hinzu, die die gleiche Richtung, Wellenlänge und Phase haben. Da der eine unserer beiden Spiegel eine Reflektivität von unter 100 % hat, kann durch ihn ein kleiner Teil des Lichtes hindurch. Und das ist der von unserem Rubinlaser erzeugte Laserstrahl, der dann für Experimente oder Ähnliches eingesetzt wird. Wir fassen noch mal zusammen: In unserem Rubinlaser wird die Besetzungsinversion durch "optisches Pumpen" mit einer Blitzlichtlampe erreicht. Dabei werden auch Photonen erzeugt. Und die Photonen werden von den Resonatorspiegeln immer wieder durch den besetzungsinvertierten Rubin geführt. Daraus folgt: Es kommen durch stimulierte Emission immer mehr Photonen gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase hinzu. Am Austrittsspiegel, also an dem, dessen Reflektivität kleiner als 100 % ist, tritt der Laserstrahl - wie der Name schon sagt - aus. Er ist gleichgerichtet, hat gleiche Wellenlänge und Phase - ist also kohärent. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Laser steht für "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission". Bei stimulierter Emission trifft ein Photon auf ein angeregtes Elektron. Die Energie des Photons muss dabei gleich der Energiedifferenz zu einem Zustand niedrigerer Energie des Elektrons sein. Es regt dann das Elektron zum Übergang in den Zustand niedrigerer Energie an. Dabei werden 2 Photonen gleicher Richtung, Phase und Wellenlänge emittiert. In einem Medium herrscht Besetzungsinversion, wenn mehr Elektronen angeregt als unangeregt sind. Dieser Zustand ist notwendig, damit die stimulierte Emission überwiegt. Man erreicht Besetzungsinversion zum Beispiel durch optisches Pumpen. Die Photonen werden dann durch Resonatorspiegel immer wieder durch das besetzungsinvertierte Lasermedium geführt und dadurch wird der Laserstrahl immer weiter verstärkt. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen! Vielen Dank fürs Zuschauen bleibt bis zum nächsten Mal, Euer Kalle.