3.4 Laser Laser erzeugen Licht mit besonderen Eigenschaften: monochromatisch (eine einzige Frequenz), kohärent (eine einheitliche Phase aller einzelnen Photonen), ein nahezu paralleles Lichtbündel mit geringem Querschnitt und dadurch mit großer Energiedichte. Die Energieniveaus der Atomhüllen machen dies möglich. Wie wird Energie auf Atome übertragen und als Licht abgestrahlt? Energieaufnahme: Die Anregung von Atomen kann durch Photonen erfolgen. Dazu muss die Energie E des Photons genau der Energiedifferenz zwischen einem besetzten Energieniveau E1 und einem unbesetzten höheren Niveau E2 entsprechen. Das Photon wird absorbiert, das Elektron wird vom Niveau E1 in das höhere Niveau E2 „gehoben“. Auch Stöße von Teilchen (Elektronen, Atome) können Atome anregen. 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 unbesetztes Energieniveau. Stimulierte Emission: Wenn ein Photon mit der Energie E = E2 − E1 auf ein angeregtes Atom im Niveau E2 trifft, kann es nicht absorbiert werden. Es kann jedoch die Rückkehr des Elektrons auf das Niveau E1 auslösen, wodurch ein weiteres Photon mit gleicher Energie und gleicher Phase entsteht. Es gibt nun zwei Photonen derselben Energie, also eine Lichtverstärkung. Das Prinzip des Lasers beruht auf der stimulierten Emission. Das Wort LASER ist eine Abkürzung für Light amplification by stimulated emission of radiation. Für Laser braucht man Materialien mit Atomen, in deren höherem Energieniveau Elektronen etwa 10−4 s (statt 10−8 s) verweilen. Wenn bei vielen Atomen Elektronen in ein solches Niveau gehoben wurden, kann ein einziges Photon durch stimulierte Emission eine Lawine von Photonen auslösen. Sicherheitshinweis Da Laserstrahlen praktisch parallele Lichtbündel 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 1 mW nicht übersteigen. 124.1 Warnzeichen für Laserstrahlung. Es muss an allen Arbeitsplätzen mit Laserbetrieb angebracht sein, wenn die Laserleistung 1 mW übersteigt. Während des Laserbetriebs muss eine Warnleuchte eingeschaltet sein. 124.2 Aufbau und Funktion eines Helium-NeonLasers: Die mit einem Gemisch aus Helium und Neon gefüllte Röhre ist an den Enden durch Spiegel abgeschlossen, wobei einer der Spiegel teilweise lichtdurchlässig ist. Durch eine Hochspannung werden Elektronen in der Röhre beschleunigt. Sie übertragen durch Stöße Energie auf die Heliumatome und bringen sie dabei in einen angeregten Zustand. Durch Stöße mit Neonatomen übertragen die He-Atome ihre Energie auf Neonatome, die dadurch in einen vergleichsweise langlebigen angeregten Zustand gelangen. 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 Grundzustand U 4 kV Spiegel Helium-Neon-Gemisch halbdurchlässiger Spiegel Laserstrahl Spannungsquelle Beispiel: Helium-Neon-Laser Ein Gemisch aus Helium und Neon befindet sich bei einem Druck von ca. 1 mbar in einer Glasröhre. Durch Hochspannung werden Elektronen beschleunigt, sie übertragen durch Stöße 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 Niveau erst nach etwa 1 ms. 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 langlebigen 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 sie von diesem Niveau sehr schnell zum Grundzustand zurückkehren. Damit ist eine 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 (124.2). Das Spiegelsystem bildet einen Resonator und erzeugt eine sehr intensive stehende Lichtwelle. Einer der beiden Spiegel ist teilweise lichtdurchlässig, durch ihn kann der Laserstrahl austreten. Die Energie des Laserübergangs E bestimmt die Wellenlänge λ: λ = h· c _ E Für E = 1,96 eV ergibt sich λ = 633 nm, also erzeugt der He-Ne-Laser rotes Licht. 124 Atomphysik 3 Aufbau von Atomen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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