P 151: Etwas ordentlicher geht es im Laserstrahl schon zu....(K), Aktualisiert 23.3.
26. Das Besondere am Laser-Licht
26.1. Laserlicht ist monochromatisch
Ein ganz wichtiger Aspekt: Laserlicht ist monochromatisch, d.h. besitzt eine ganz bestimmte Frequenz. Bei normalem thermischen Licht kommen in der Regel alle möglichen Farben vor.
Der Grund ist klar: Im Laser ist es ein einziger Laserübergang, auf den der Resonator abgestimmt ist. Nur diese Frequenz schauckelt sich auf.
In einem Glühfaden strhahen alle Atome mit irgendwelchen Quantensprüngen Licht ab. Da kommen halt alle Wellenlängen vor.
Durch den Bau des Lasers kommt natürlich noch eine Abgabe nur in einer Richtung vor ("Laserpointer", geht mit einer Glühlampe oder Kerze nicht..)
 |
| Trotec |
26.2 Laserlicht ist kohärent
Das normnale thermische Licht besitzt ja eine unregelmäßige Folge von Photonen, die Photonen "bunchen", kleben also irgendwie immer in kleinen Gruppen zusammen. Das hängt daran, dass klassische Strahler immer nur für sehr kurze Zeit eine Reihe von Photonen abgeben und dann pausieren. Diese Photonengruppen bleiben dann zusammen.
Das "Nichtzusammenhängen" von klassischem Licht macht sich dadurch bemerkbar, dass man in der Regel kaum Interferenzerscheinungen sieht. Wir sagen, es ist nicht kohärent.
Das macht auch Einzel-Photonenexperimente mit klassischem Licht unmöglich. Auch damit haben wir uns schon in P 75 und P 76 beschäftigt:
In der Interpretation der Quantenmechanik spielen Experimente mit einzelnen Photonen eine große Rolle. Die muss man mit Laserlicht durchführen.
Doppelspalt mit einzelnen Photonen
Will man mit normalem Licht Interferenzerscheinungen sehen, muss man erst einmal einen guten Farbfilter verwenden (damit man möglichst nur einen eng begrenzten Wellenlängenbereich hat) und einen Beleuchtungsspalt nehmen, da das Licht innerhalb des ersten Beugungsmaximums interferenzfähig ist.
Der Entstehungsprozess des Laserlichtes sorgt dafür, dass die Photonen relativ gleichmäßig aus dem vorderen Begrenzungsspiegel austreten. Da es immer noch Zufall ist, ob ein Photon durchkommt oder nicht, gibt es immer noch ein leichtes Bunching auch im Laserlicht.
Bringt man ein einzelnes Atom dazu regelmäßig ein Photon auszusenden, dann entsteht eine wirklich regelmäßige Folge von Photonen (Anti-Bunching, Licht unter Corona-Abstandsregeln).
In P19 haben wir das schon ausführlich behandelt. Es lohnt sich, dass noch einmal anzusehen:
Genial finde ich schon die Erklärung von Vistnes. Deswegen zeige ich das Bild nochmal:
Rot markiert sind zeitlich zusammenhängende Wellen. Die Zahlen geben die Kohärenzlänge in Wellenlängen an. Die Kohärenzlänge beschreibt, wie lange man ein Interferenzbild stabil sehen kann.
Das nennt man zeitliche Kohärenz.
Gelb sind räumlich zusammenhängende Wellen markiert.Innerhalb dieses Bereiches können z.B. zwei Einzelspalte ein Doppelspaltinterferenzbild erzeugen.
Das nennt man räumliche Kohärenz.
Laserlicht besitzt eine hohe zeitliche Kohärenz, d.h. die Wellenzüge bleiben zeitlich sehr lange stabil, so dass Interferenzbilder leicht und ausdauernd zu beobachten sind.
Die Kohärenzlänge von normalem thermischen Licht beträgt einige Mikrometer, die von Laserlicht viele Kilometer.
26.3 Laserlicht muss nicht polarisiert sein
In vielen, vor allem Schul-, büchern steht genau das Gegenteil. Aber in der Schule werden meist He-Ne-Gas-Laser verwendet und deren Spiegel am Ende sind schräg geschliffen. So schräg, dass das Laserlicht unter dem Brewsterwinkel auftrifft und reflektiert wird. Dann aber ist das reflektierte Licht polarisiert.
Würde man die Spiegel anders schleifen, käme nicht polarisiertes Licht heraus...
Das haben wir ausfhrlich schon in P30 kennengelernt.
Hier wird es nun wichtig.
Polarisation und Brewsterwinkel
26.4 Energiedichte
Da der Laserstrahl sehr schmal ist, besitzt er eine besonders hohe Energiedichte. Deswegen kann man beim Blick in Laserstrhalen sehr häufig erblinden, wenn man nicht spezielle auf diesen Strahl abgestimmte Schutzbrillen trägt.
Als Energiedichte bezeichnet man die ankommende Strahlungsleistung pro Flächeneinheit.
Das nennt man auch Strahlungsstrom. Wir haben das bei der Solarkonstante kennengelernt und damit gerechnet.
Beim Laser könnte eine Aufgabe im Abi dran kommen, die wie die folgende: aussieht.
Wir haben das damals mit Solarkonstante beid er Ertde und bei der Venus schon eingeübt.
Aufgabe:
Ein Laser der Leistung 5 mW (5 mJ/sec) produziert einen kreisförmigen Laserstrahl mit dem Durchmesser 10 mm.
Zeige, dass seine Energiedichte, sein Strahlungsstrom, bei 6,4 mW/cm² liegt.
Zeige, dass etwa 20,4 Billiarden Photonen jede Sekunde durch eine Fläche von 1 cm² gehen, wenn der Strahl eine Wellenlänge von 635 nm hat.
Übrigens, manchmal bekommt man schon eine ganze Reihe von Punkten in einer Klausur, wenn man die vier Zwischenüberschriften dieses Kapitelsn als die wichtigsten Eigenschaften eines Laserstrahls nennen kann.
Kommentare
Kommentar veröffentlichen