LASER

LASER is a englische Abkirzung fia "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". S' bedeit "Liachtvastärkung duach induzierte Emission".
Laser han Liacht- bzw. Strahlungsquoin. Da Untaschied zua andane Liachtquelln wia z. B. na Gliabirn is, daß de Strahlung durch de induzierte und ned durch de spontane Emission entsteht. Fia vui Anwendunga is entscheidend, daß as Liacht vo am Laser im Gengsatz zu andane Liachtquelln aus oana oanzign Farb bsteht und olle Photona mitanand in Phase han und ano de sejbe Polarisation hom. Des nend ma monochromatisch und kohärent.
Laser gibts in vui faschiedne Bauformen fia an Haffa untaschiedliche Anwendunga. De Leistunga genga vo wenige Milliwatt bis zu mehrare Kilowatt. Manche hom bsondas reine Farbn, andane hom sehr kurze Impulse. S'gibt Laser de nua Impulse aussendn kenna, andane kenna a dauerhaft betriebn werdn. Es gibt aa Laser mit an ultraviolett'n oda infrarod'n Liacht, de ma goa ned sehng ko. Und wenn de Strahlung no a grässere Wellenläng' ois wias Infrarode hod, dann hoaßt ma des an MASER.
De stark gebündltn und paralleln Strahln, wia mas z. B. a aus da Diskotheknbeleichtung kennt, han zwar nua mit Laser machbar, han aba nix typischs fia Laser. Es gibt a Laser mit recht dicke Strahln und weachane de koan paralleln Strahl hom.
Heagnuma wern Laser fia de untaschiedlichstn Sacha:
Gschichtlichs.
Da Einstein hod 1917 de induzierte Emission bschriem. Mit andane zsamm homs lang iabalegt, ob ma damit ned a bsundane Liachtquelln baun kunnt. 1957 hod da Gordon Gould den Begriff LASER dafia prägt. Aba eascht 1960 hod da Theodore Maiman an funktionierndn Rubin-Laser baut, kurz drauf hod a da easchte Helium-Neon-Laser gleicht.
Bis heid wern oiwei mehra Materialien gfundn, de ma fia Laser heanemma ko. So gibts a imma mehra vaschiedne Farbn/Wellnlänga, de a Laser aussendn ko. A aussahoib vom sichtbarn Liacht, im Infrarot und Ultraviolett gibts Laser.
Physikalischs.
Wechslwirkung zwischn Liacht und Teilchen.
De Grundlag fias Vaständnis vo am Laser is de Wechslwirkung zwischn Liacht und Teilchen. Ma mecht erreichn, das oa Photon beim Vorbeifliang an am Teilchen a induzierte Emission auslöst und damit aus dem oan zwoa Photonen wern. De zwoa Photonen kenna dann wiada weidane Teilchen zua Emission oreng. So werd Liacht, des durch an Laser laft iaba a Kettnreaktion gach vastärkt. No dazua fiad des Ausnutzn vo da induziertn Emission zu de typischn Laser-Eignschaftn, da reinen Farb und das olle Photonen im Gleichtakt fliang, oiso in Phase zuranand han.
Normalaweis befindn se fui mehra Teilchen in ihrm Grundzustand, ois auf am ogregtn Energieniveau. Deszweng is fui wahrscheinlicha, daß a Photon vo am Teilchen absorbiert, oiso gschluckt werd, ois das a Emission auslöst. Des Photon gehd zwar ned valorn, weis kuaz drauf durch spontane Energie vo dem Teilchen wiada freigem werd, aba vastärkt werds eha ned.
Besetzungsinversion.
Fia an Laser miaßn mehra Teilchen auf am obern Energieniveau sei ois auf am untern. Soboid des Vahältnis a wengal iaba 1:1 liagt kriagt ma a Vastärkung. Je häha des Vahältnis is, umso gacha is de Vastärkung. Im Normalfoi han Teilchen mit am hähan Energieniveau seltner ois wecha mit am niedrign. Je häha des Energieniveau, desto unwahrscheinlicha, das ma a Teilchen find, des se auf dem Niveau befindt. Do ma fia an Laser aber genau as Gegnteil vo de normalen Bedingunga bracht, red ma vo a Besetzungsinversion. Invers bedeit so vui wia "ois umdraht".
Pumpn.
In des laseraktive Material muaß ma Energie neibringa, damit gnua Teilchen ogregt wern. Den Vorgang nend ma Pumpn. Oa Möglichkeit is, daß ma mit am starkn Liacht eineleicht. De Teilchen absorbiern dann an Teil vom Liacht und wern so ogregt. Aber s' gibt a vui andane Möglichkeitn fia d' Energiezufuhr.
Energieniveaus.
Am Laser han auf jedn Foi zwoa Energieniveaus beteiligt. Oans, auf dem se a ogregts Teilchen befind (formula_1), und a weidans, auf des des ogregte Teilchen bei da induziertn Emission springt und dobei a Photon aussendt (formula_2).
Des weidan gibts no as Grundniveau (formula_3) und as Pumpniveau (formula_4).
S'gibt Fäll wo as Grundniveau und as untane Laserniveau gleich han (formula_5), genauso ko as Pumpniveau gleich am obern Laserniveau sei (formula_6). A Laser, der nua mit zwoa Niveaus arban soi funktioniert ned. Wei dann dad da Pumpvorgang mit am gleichn Energiesprung arban wia de induzierte Emission, oiso dad de Energieeinleitung sejba scho induzierte Emission auslösn.
So gibts oiso Drei-Niveau-Laser, bei dene entweder formula_6 oder formula_5 guid, oda es gibt Vier-Niveau-Laser, bei dene olle vier Niveaus untaschiedlich han.
De Differenz vo formula_9 dagibt de Energie vo dem ausgsendtn Photon und damit de Farb vo dem Laser.
metastabil.
Damit de induzierte Emission wahrscheinlicha werd ois de spontane Emission bracht ma ois obers Laserniveau oans mit na recht langen Hoibwertszeit. Wirklich stabile Niveaus gibts neda, aba wejchane, de im Vagleich zua andane a fui längane Hoibwertszeit hom. De nend ma dann "metastabil".
Welln-Teilchen-Dualismus.
Recht intresssant is, das fias Vaständnis vo da Entstehung vo am Laserliacht as Teilchenmodell weidahuift. Auf da andan Seitn hod grod des Laserliacht bsundane Eignschaftn bei dene da Wellncharakter vom Liacht recht deitlich werd.
Funktionsweis.
Fia an funktionierndn Laser bracht ma auf jedn Foi:
Ned zwingend aba fia fui Laser doch nötig is da "Resonator". Des han zwoa Spiegl, de as Liacht, des im laseraktivn Medium entsteht imma wiada hin und her werfn. Dodurch fliagt oa Photon öftas durch des laseraktive Medium und werd jeds moi no mehra vasterkt. Oana vo de Spiegl is a wengal durchsichtig, sonst dad ja koa Liacht aus'm Laser ausekemma. Fia de Spiegl gibts vui untaschiedliche Bauforma, davo werd de Form vom Laserstrahl prägt, oiso ob a bsondas eng und parallel is.
Beispui Rubinlaser, da easchte Laser iabahapts.
Ois laseraktivs Material werd a künstlich hergstellta Rubinstab heagnumma. A Rubin is eingle a Saphir (Al2O3) dea mit Chromionen vaunreinigt is. Bei so na absichtlichn Vaunreinigung red ma vo Dotierung. De Chromionen gem am Rubin sei roade Farb und han a beim Rubinlaser de beteiligten Teilchen. Dea Rubin fian Laser enthält recht wenig vo dem Chrom (0,03-0,05%), desweng is a nua schwach rosa gfärbt und ned so kräftig road wia a natürlicha Schmuck-Rubin.
Ois Pumpquelln wern starke Blitzlampn vawendt, de ihra Liacht auf den Rubinstab bindln. De Chromionen absorbian a greans und a blaus Liacht aus dem Blitz. An Tei vo ihra Energie valians recht schnej und hupfn dabei vom Pumpniveau aufs obare Laserniveau. Des is metastabil, oiso is de Woarscheinlichkeit recht hoch, daß a Photon vorbeikimmt und a induziate Emission auslest, bevor des Chromion sei Energie durch a spontane Emission valiat.
As untane Laserniveau is as Grundniveau vo de Chromionen. Des is a de Schwierigkeit beim Rubinlaser, wei ma muaß mehra wia de Hälftn vo olle Chromionen oreng. Des is a da Grund warum ma an Rubin mit eha wenig Chrom bracht. S' Ganze funktioniert nua durch a recht extreme Energiezufuhr durch de Blitzlampn.
Soboid durch de Blitzlampn a wengal mehra ois de Hälftn vo de Chromionen auf as obane Laserniveau pumpt worn han fangt da Laser as arban o. Imma wiada kimmts zua na spontanen Emission. Soichane zufällig ausgsendte Photonen wern dann durch de induzierte Emission vasterkt, se fliang aba zufällig in irgend a Richtung. A boa vo dene Photonen treffan jetz aba auf de Spiegl vo dem Resonator und wern zruck in den Rubin gworfn und weida vasterkt. So findt de gräßte Vastärkung nua in da Richtung vo de Spiegl statt. Des Ganze laft vui schnella ab, ois dea imma no leichtnde Blitz neie Chromionen wiada aufs obane Laserniveau aufelupfn ko. Desweng brichts Liacht noch am kurzn Impuls wiada zsamm. Da Pumpblitz leicht aba imma no weida, wei sei Blitzdauer vui länga is ois de Dauer vo so am oanzln Laserimpuls. So werd de Besetzungsinversion während oam Pumpblitz mehrmois erreicht und es ergibt se a Folge vo am ganzn Haffa Laserimpulse.
Wenn ma jetzad ab oan oanzign vui stärkan Impuls hom mecht, dann ko ma a Hindanis zwischn den Rubin und oan vo de Spiegl baun. So valiern eascht amoi nua a boa Chormionen ihra Energie. Eascht wenn da Pumpblitz aufhärt zum Leichtn und as Maximum vo ogregte Chromionen erreicht is, werd des Hindanis obgschalt. Nachad entladt se de gspeicherte Energie in oam oanzign Impuls.
Beispui Helium-Neon-Laser, da easchte Laser fian Dauabetrieb.
Im Gengsatz zum Rubin-Laser ko da Helium-Neon-Laser im Dauabetrieb gleichmäßig an Strahl abgem. Des nennt ma a an cw-Betrieb vo englisch "continuos wave".
Beim Helium-Neon-Laser is as laseraktive Medium as Neon. As Helium werd iaba a Gasentladung ähnlich wia in a Leuchtstoffröhr ogregt. Wenn de ogregtn Helium-Atom mit de Neon-Atom zsammstessn, werd a Guads vo da Energie iabatrong und damit as Neon auf sei obas Laserniveau glupft. Desweng sogt ma, as Helium is as Pumpgas und as Neon is as Lasergas.
As untane Laserniveau valiert sei Restenergie recht schnej spontan. So gibts fast koane Neon-Atome, de si auf'm untan Laserniveau bfindn. A Besetzungsinversion is oiso recht oafach zum daglanga. Da Helium-Neon-Laser is a Drei-Niveau-Laser, wei es han as obere und as untane Laserniveau und as Grundniveau vom Neon bteiligt. As Pumpniveau foid mit am obern Laserniveau zsamm.
Helium-Neon-Laser hom a recht geringe Leistungsabgab vo wenige Milliwatt.
Sichtbarkeit.
Bei am Laserstrahl denga de meistn an sowas wia bei dem Buidl ganz om. Wobeis eha ungwöhnlich is, daß ma an Valauf vom Strahl sigt. Wann a Laser mit na sichtbarn Farb strahlt sigt ma auf jedn Foi de Stej, auf de a gricht is, so wia in dem Buidl mit am Helium-Neon Laser (ganz rechts da roade Fleck auf'm Papier). An Valauf sigt ma nua, wenn a Teil vom Strahl vo Staub und Dunst in da Luft gstreit werd. Und dann a nua, wenn da Laser recht stark is, oda de Umgebung recht dunke. Fia Effekte wia in da Disco ko ma de Luft natirle a extra neblig macha. Manchmoi sigt ma a de Spur vo am Laser, der einglich mit na unsichtbarn Strahlung arbad. Wenn a stark gnua is kos sei das Staubteilchen oda ähnlichs in da Luft so stark ogregt oda aufghoazt wern, daß in na sichtbarn Farb as Leichtn ofanga. A rechta Schmarrn is de Darstellung vo Laserwaffn in de meistn Science-Fiction-Fuim. Im Vakuum vom Weltall gibts ned gnua Staub und scho gor koan Nebe ned, dea an Strahl strein kunnt. Do kunnt ma hächstens de Einschlagstell leichtn seng, aba nia ned an Valauf vom Strahl. Aussadem is da Laserstroi schnej wias Liacht (um de 300.000 Kilometa in oana Sekund'n) und desweng vui schnella ois wias in de meistn Fuim zoagt wead.
Auf jedn Foi seng ko ma an Laser mit na sichtbarn Farb, wen a oam direkt ins Aug neileicht. Dann werd ma blend't. Je nach da Stärkn vo dem Laser ko ma davo aa blind wern.
Gfoarn &amp; Laserklassn.
Aus de bsondan Eignschaftn vo Laserliacht ergem se a Gfoarn. A scho schwache Laser kinnan as Aug bschädign. Da Fleck den a Laserstroi auf seim Zui oleicht is oft recht kloa. Damit is de Leistungs- bzw. Energiedichtn recht hoach. Dazua kimmt, das as Laserliacht se nu vui bessa mit na Linsn bindln lost ois as Liacht vo da Sun oda vo na Gliahlampn. Wenn oam oiso a Laserstroi ins Aug foid, werd der vo da Aunglinsn no weida bindlt und ko so de Netzhaut schwar bschädign. Mit steignda Leistung wern a Hautschädn imma woahrscheinlicha. Des fangt bei sunnabrandähnliche Schädn o und gehd bis zu schware Vabrennunga.
Wenns ums Aug gehd is entscheidnd wia lang s dauard bis a Schadn entsteht. Bei schwächane Laser reichts, daß ma duach an Reflex as Aug zumacht, wenn ma blendt werd.
A bsundane Gfoar hod ma bei Laser, dern Strohlung unsichtbar is. Zum oana ko se as Aug dann neda durch an Lidschlußreflex schitzn. Auf da andan Seitn gibts a an Haffa Wellnlängn de zu schware Hautschädn fian kinna, aba dern Bestrohlung ma ned gspiat, s se ned warm ofuid und a ned wä duad. Deszweng wern a schwoche unsichtbare Laser ois recht gfährlich eigstuft.
Fui Geräte de mit Laser arban han umalich, wei as Liacht vo dem Laser ned aus'm Ghais raus ko. z. B. hod a CD-Brenner de Laserklasse oans, obwoi de vawendt Laser teilweis bis zua Klassn 3B ghearn.
Wenn a Laserstroi recht schnej sei Richtung ändert und so nia lang auf oane Stell foin ko werd a dadurch a umalicha. Via Laser-Effekte in Diskos, bei Konzerte usw. gibts recht aufwendige Auflang wia sicha gstellt werd, das dea nia ned aufhärd se z'bweng.
Manche umaliche Laserstrahlung ko gfährlich wern, wenn Linsn oda andane optische Elemente den Laser bündln. Des Wissn is voa allm fia Leid wichtig, de Vasuach mid Laser machan. A Vasuchsaufbau ko de Gfährlichkeit vo dem eigntlichn Laser steigan.
Desweng han de Kriterien fia de Laserklassen:
Beleg.
Voalesung Laser-Optik an da Fochhochschui Minga in de Joar 97&amp;98 beim Professor Schörner im Fochbereich Feinweak- und Mikrotechnik
Artikl aus da deitschen Wikipedia: