P 150: Erstmal kräftig Pumpen (K), aktualisiert 21.2.

 25. Grundprinzip am Beispiel des Rubinlasers

Der erste 1960 von Maiman gebaute Laser funktioniert nach diesem Verfahren.

Der Rubinlaser besteht aus einem wenige Zentimeter langen Rubinstab. Das ist ein Kristall aus Al2O3, ähnlich wie Saphir (daraus bestehen die Abtastnadeln von Plattenspielern).

Für den Lasereffekt wichtig ist im Kristall bei der Herstellung eingelassenes Chrom: Etwa zu 0,05% müssen dreifach geladene Chromionen Cr+++ beigemischt sein.

 

Das ist vergleichbar mit der Dotierung bei Halbleitern zu p- und n-Halbleitern (Q1).

Diese Ionen haben die richtigen Niveaus mit den richtigen Eigenschaften.

25.1. Niveaus und Übergänge

Ein Laser benötigt:

Pumpniveaus:

Das sind Energieniveaus, möglichst viele, dicht beieinander liegende, die man vom Grundzustand des Material aus leicht durch Stöße oder optische Prozesse anregen kann.

Metastabiles Niveau:

Das ist möglichst ein einziges Niveau, aus dem heraus ein Übergang in den Grundzustand sehr unwahrscheinlichn ist (verbotener Übergang, haben wir beim H-Atom kennengelernt).

Strahlungslose Übergänge

Aus den vielen Pumpniveaus können die Elektronen (der verschiedenen Atome, pro Atom ist es nur eins!!) durch leicht stattfindende Prozesse in das metastabile Niveau übergehen. Meist wird direkt Energie an den Kristall abgegeben (Phonen, Schallquanten), deswegen heißen sie strahlungslose Übergänge. Es kann aber auch energiearme IR-Strahlung (Photonen) abgegeben werden,  da die Pumpniveaus recht dicht am metastabilen Niveau sind.

Grundniveau:

Auf diesem Niveau  sind in der Regel die Elektronen der lasernden Atome (hier bei uns das Cr+++) . Es ist das höchste besetzte Niveau. Bei tieferen Energien ist durch die anderen Elektronen alles besetzt, das interessiert uns deshalb nicht.

Laserübergang:

Das ist der Übergang vom metastabilen Niveau in das Grundniveau.

 

Rubinlaser, leifiphysik

Rechnet einmal aus, welche Wellenlänge zum Laserübergang von 1,79 eV gehört. Besser jetzt verrechnen als im Abi...

Bei manchen Lasern geschieht der Laserübergang zu einem 4.Niveau, das dicht über dem Grundniveau liegt. Von dort aus geht es dann durch IR-Strahlungsabgabe oder Anregung von Kristallschwingungen (sog. Phononen) in das Grundniveau.

Ein solcher Laser heißt 4 - Niveau - Laser. Der Rubinlaser ist ein 3 - Niveau Laser (die mehrfachen Pumpniveaus werden nur einmal gezählt).

 

Eigentlich kann man sich mit diesen Infos schon erklären, wie ein Laser funktioniert...

Versucht es mal...

25.2 Besetzungsinversion

Normalerweise ist das äußerste "Laserelektron" im Grundniveau. Durch thermische Effekte wird es ab und an mal in höhere Niveaus angeregt, geht dann aber sofort wieder zurück. Die Wahrscheinlichkeit , dass das Elektron in das metastabile Niveau kommt, ist extrem klein. Damit gibt es auch eigentlich nie einen Laserübergang.

Der Laser funktioniert erst, wenn möglichst bei vielen Atomen das jeweilige Elektron im metastabilen Zustand ist.

Das ist vollkommen "unthermisch", stellt die übliche Besetzung der Niveaus auf den Kopf. Man nennt das die Besetzungsinversion.

 

R.Steiner, Grundlagen der Laserphysik, Springer

25.3 Optisches Pumpen

Das ist eine Bezeichnung für die Herstellung der Besetzungsinversion.

Beim Rubinlaser wird ein helles Blitzlicht gezündet. Die Photonen dort regen alle Elektronen in die Pumpniveaus an, von dort gehen sie sofort in das obere Laserniveau (metastabiles Niveau) über und warten da...

25.4 Induzierte oder erzwungene oder stimulierte Emission

Irgendwann verliert ein Elektron die Geduld und fällt in das Grundniveau. Es strahlt ein Photon der gewünschten Laserstrahlung ab. Dieses Photon kann jertzt ein anderes Atom dazu zwingen, das Gleiche zu tun.

Wir kennen das: Auch die sog. spontane Emission tritt nur ein, weil durch eine Vakuumfluktuation zufälligerweise ein Photon der gleichen Energie vorbeifliegt. 

Durch Unterbinden von Vakuumfluktuationen ist es gelungen spontane Emissionen zu verzögern...

Bei metastabilen Niveaus reichen Vakuumfluktuationen nicht aus, da müssen schon "echte" Photonen her...

Aus eins mach zwei...dann vier dann acht 

so kommt  der Laserstrahl in ganzer Pracht.

(unbekannter Dichter, 2021)

Trotec

 

25.5. Kettenreaktion

Ein Photon löst ein zweites aus, im nächsten Schritt sind es vier, dann 8, dann 16....die Anzahl der Photonen wächst sehr stark an (das ist wie bei den Reiskörnern auf dem Schachrett...). 

 

 

Man muss nur dafür sorgen, dass die Photonen nicht aus dem Lasermaterial wegfliegen können.

Wie fängt man Photonen ein?

Durch Spiegel...

Das Lasermedium ist also von Spiegeln umgeben...

Was muss man beim Aufbauen der Spiegel beachten?

Die Spiegel müssen so stehen, dass sich eine stehende Welle bildet. Dann nennt man da sauch ein Perot-Fabry-Interferometer.

Dann sorgt die stehende Welle im Lasermedium (hier de rmit Cr+++ versetzte Rubinstab) das ständig die richtigen Photonen vorbeifliegen und den Laserübergang erzwingen.

Physik Uni Würzburg

Wer alles über stehende Wellen vergessen hat:

Wiederholung stehende Welle

25.6 Zwei Tricks und die Zeitlupe:

Ein Spiegel sollte nicht ganz zu 100 % reflektieren...warum wohl??

Und: Eigentlich müsste der Laserstrahl ganz schnell wieder schwach werden und verschwinden. Warum wohl?

Und wie kann man das verhindern?

Pumpen...pumpen...Das ist so wie beim Aufpumpen eines Reifens, in dem ein kleines Loch ist...so lange man pumpt gehts...hört man auf, hat man einen Platten.

Beim Reifen klebt man das Loch zu...beim Laser ist es absichtlich da...

Und könnt ihr euch etwas unter den Begriffen: Hochfahren des Lasers mit Einschwingen vorstellen?

Das geht ganz ganz schnell...warum wohl?

Trotzdem kann man den Einschwingvorgang beobachten und sogar steuern um bestimmte stehende Wellen ("Moden") anzuregen.

Stellt euch vor, die Lichtgeschwindigkeit liegt bei 1 cm/Minute.

Alle Elektronen sind im metastabilen Niveau...eins geht ins Grundniveau rutner und das Photon kriecht durch den Rubinstab...nun beschreibt einmal den weiteren Ablauf in dieser super super Zeitlupe...

Den Film müsst ihr im Kopf haben, wenn eine Abiaufgabe zum Thema Laser dran kommt...

Ach, und warum muss man einen Laser kühlen? Wo in dem Prozess entsteht die Energie, die das Material aufheizt?

 

Dringende Empfehlung:

Erklärungstexte zum Laser aufschreiben!

Das erleichtert das Anfertigen solcher Texte im Abi.