Frage von Raphisto, 147

Wie funktioniert ein Laser genau (Energieniveaus usw.)?

Hallo! Ich habe mehrere Fragen zum Thema "Funktionsweise eines Lasers" zu denen ich im Internet keine Antworten finden konnte: 1. Warum werden die Photonen aus dem aktiven Medium genau senkrecht zu den Spiegeln abgelenkt, bzw. wie kann man sicher gehen, dass es der erste tut der die Kettenreaktion mit sich zieht? Und warum schwingen die Wellen im Gleichtakt? (Soweit ich verstanden habe müssen sich die Wellen so addieren, dass Maxima auf Maxima trifft.) Außerdem: warum haben alle Wellen dieselbe Wellenlänge? Woher weiß man dass sie im selben energetischen Zustand sind und dieselbe Energiemenge loswerden? Eine ähnliche Frage wäre sicherlich wie kann man die Farbe des Lasers verändern? (Und warum ist sie dann anders? Ich habe zudem gesehen, dass bei der stimulierten Emission das Photon ein hohes Energieniveau erreicht (mehr als E1) und dann ohne Emission ein Niveau herunter springt, und dann erst von einem äußeren Photon mitgerissen wird. Wie kann es sein, dass es also ohne Energie loszuwerden dem Atomkern näher kommt? Eine sehr grundlegende Frage: Warum könnte man nicht einfach eine Glühbirne zwischen zwei parallele Spiegel stellen und so einen Laser herstellen?

Meine Vorkenntnisse: Ich weiß also dass durch Pumpdioden Energie in das aktive Medium hinzugefügt wird, die die Atome darin in ein höheres Energieniveau bringen, und dass die Photonen eine Photonen Lawine auslösen. Alle Erklärungsseiten gehen leider nicht genauer darauf ein...

Ich hoffe wirklich hier Antworten zu finden, Viele Grüße, Raphael

Antwort
von Tiggels, 117

1. werden sie nicht, zumindest nicht alle nur der anteil der nicht senkrecht zu den spiegeln austritt wird auch nicht reflektiert, das ganze läuft mit lichtgeschwindigkeit ab und irgendein teil wird genau auf dieser achse austreten und zwischen den spiegeln reflektiert werden. genau dieser anteil wird dann dazu beitragen, dass es auch der rest, der tut.

ich muss zugeben, dass ich nicht im detail weiß warum das folgende passiert (hat der professor schlicht nicht erwähnt) aber wenn ein elektron mit genau der energie getroffen wird, die zwischen 2 energieniveaus liegt, dann wird es auf das obere springen, wird es dort erneut mit genau dieser energie getroffen springt es wieder ein niveau nach unten und gibt dabei nicht nur die energie, die es auf das höhere niveau gehoben hat, frei sondern auch die mit der es getroffen wurde und zwar phasen und richtungsgleich und somit mit der doppelten energie. dadurch wurde dann tatsächlich das licht verstärkt.

die wellenlänge ist vom medium abhängig, die 'farbe' der laser die technisch genutzt werden sieht man nicht (C02 laser 10,6 µm, festkörperlaser 1,06µm wellenlänge, diodenlaser variabel).

die sache mit den vielfachen energieniveaus (3,4) hat was damit zu tun, dass damit in einem material licht verstärkt werden kann, muss der absorptionskoeffizient negativ sein, das erreicht man nur, wenn mehr elektronen sich in einem höheren als in einem niedrigerem energieniveau befinden, in einem thermischen gleichgewicht ist das aber nie der fall. deswegen wird zunächst auf ein so genanntes pumpniveau gepumpt, von da gibt es einen schnellen übergang auf das obere laserniveau und von dort einen langsamen übergang auf das untere laserniveau, wobei es dabei natürlich auch energie abgibt, nur wird dieser übergang nicht zur verstärkung verwendet, vom unteren laserniveau gibt es dann wieder einen schnellen übergang auf das grundniveau (bild). durch diese unterschiedlich schnellen übergänge schafft man es, dass der absorptionskoeffizient negativ ist.

das mit der glühbirne wird nicht funktionieren, weil man für eine lasererzeugung 3 dinge braucht: einen resonator, eine anregungsenergie (glühbirne könnte funktionieren, es wird tatsächlich auch weißes licht zur anregung verwendet, wobei diodenlaser zum pumpen sehr viel effizienter sind) und eine laseraktives medium (prozessgas mit CO2, festkörper,...). und genau dieses laseraktive medium fehlt, es würde keine verstärkung des lichts stattfinden.

das ganze sollte man aber eig auch im internet finden, eventuell musst du auch mal in ein paar fachbücher schauen oder dich mal am anfang des semesters in die grundlagen laservorlesung der nächsten uni setzten.

Kommentar von Raphisto ,

Vielen vielen Dank für deine schnelle und sehr ausführliche Antwort. Danke auch, dass du dir so viel Zeit für mich genommen hast. Jetzt ist mir sehr vieles schon viel klarer - es bleiben aber wenige Fragen offen oder neue sind aufgetaucht:

Warum ist das E2 Niveau (in deinem Bild) so viel stabiler als E4 oder E2? Wenn ich es richtig verstanden habe kann man auch kein 2-Niveau Medium nehmen, da es im oberen medium zu instabil ist und zu schnell wieder spontan emittiert. Aber was ist dann im 4-Niveau Medium der Unterschied?

Eine weitere Frage ist: Warum sind die Spiegel konkav? In den detaillierteren Skizzen sind die inneren Spiegel nicht gerade sondern konkav, und den Unterschied verstehe ich nicht ganz: Man wird dadurch doch nicht erreichen, dass die Photonen noch eher parallel zum Medium verlaufen. Was ist der Sinn? Es müsste doch eher stören, da es die Photonen aus der gewollten Bahn ablenkt...

Ich freue mich sehr auf eine weitere Antwort von dir, da du mir bisher schon sehr geholfen hast. Wenn du nicht auf alles eine Antwort hast ist das auch kein Problem.

Viele Grüße, Raphael

Kommentar von Tiggels ,

warum die übergänge unterschiedlich schnell sind weiß ich nicht, dafür sind meine vorlesungen nicht detailliert genug, es geht da eher um die technische anwendung. deswegen, wie gesagt, in fachbüchern nachschauen oder jemanden mit genaueren kenntnissen über die physikalischen vorgänge fragen.

die antwort auf die frage warum die spiegel konkav sind, ist, dass alle strahlen divergieren, und um die räumliche kohärenz beizubehalten muss der spiegel konkav sein, damit alle anteile des strahls den selben weg zurücklegen. das wichtige am laser ist ja gerade, dass das licht kohärent ist und das sollte auch für eine große strecke so bleiben. der krümmungsradius der phasenfronten lässt sich natürlich berechnen. für die qualität eines laser kann man zb das strahlparameterprodukt verwenden, dabei wird der halbe divergenzwinkel mit dem radius der strahltaille multipliziert, minimal nimmt das den wert wellenlänge/pi an, um dann die qualität mit anderen lasern gleicher wellenlänge vergleichen zu können wird ein faktor M² oder 1/K (ist in amerika anders als in europa) verwendet, der mit wellenlänge/pi multipliziert wird um den tatsächlich vorhandenen wert zu erreichen.

weil ich offenbar kein bild anhängen kann wenn es sich um einen kommentar zu einem kommentar handelt, habe ich das mal auf einer anderen seite hochgeladen: http://i.imgur.com/NY7pOHb.jpg

Kommentar von Raphisto ,

Ich weiß nicht warum mir Gutefrage deine Antwort nicht angezeigt hat, aber auf jeden Fall viel Dank, dass du dir so viel Zeit für mich genommen hast! Am Dienstag halte ich die Präsentation, und du hast mir auf alle Fälle mega weitergeholfen!

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