Laser - Physik.

« Laser - Physik. 1 EINLEITUNG Targetkammer der NIF-Laseranlage im Lawrence-Livermoore-Laboratorium (Kalifornien)Ein Techniker steht in der Targetkammer der National Ignition Facility (NIF).

NIF ist eine der stärksten Laseranlagen der Welt undbefindet sich im Lawrence-Livermoore-Laboratorium in Kalifornien.

Sie dient u.

a.

zur Erforschung der Kernfusion und zur Simulationvon Kernwaffenexplosionen.

Beim Experiment wird der Strahl eines Neodymlasers in 192 Teilstrahlen zerlegt; diese Teilstrahlenwerden auf eine Probe im Zentrum der Targetkammer gerichtet.

Durch den Beschuss wird die Probe so stark erhitzt und komprimiert,dass es schließlich zu einer Fusionsreaktion kommt.Department of Energy Photo Laser , Kurzbezeichnung für einen Lichtverstärker. Laser steht für den englischen Ausdruck light amplification by stimulated emission of radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsfreisetzung.

Laserlicht kann im Spektralbereich zwischen Infrarot- und Ultraviolettstrahlung erzeugt werden und ist monochromatisch (eine Spektrallinie) sowie kohärent – ein Lichtstrahlenbündel istkohärent, wenn sich alle seine Wellen bzw.

Photonen phasengleich ausbreiten ( siehe Interferenz).

Dies ist der Grund, weshalb sich Laserlicht mit extrem hoher Intensität, äußerst geringer Strahlaufspaltung und hoher Farbreinheit (Frequenzschärfe) erzeugen lässt.

Maser sind Pendants der Laser im Bereich der Mikrowellen. 2 FUNKTIONSPRINZIP LaserDas Besondere am Laserlicht sind seine Lichtwellen oder Photonen: Anders als bei natürlichem Licht haben sie dieselbe Phase,Frequenz und Richtung, d.

h., die Wellen schwingen im Gleichklang; in der Physik bezeichnet man diese Eigenschaft als Kohärenz.© Microsoft Corporation.

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- Physik. Das Grundprinzip von Lasern hat folgenden physikalischen Hintergrund: Atome, Ionen und Moleküle können in verschiedenen Energiezuständen vorkommen.

Befindet sichbeispielsweise ein Atom in einem angeregten Zustand (auf einem höheren Energieniveau), so kann es nach einer gewissen Zeitspanne in einen energetisch niedrigerenZustand übergehen.

Zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand können energetisch weitere Niveaus liegen.

Der Übergang kann also auch stufenweiseerfolgen, wobei das angeregte Atom die Anregungsenergie in Form von Photonen abgibt (spontane Emission).

Jedes dieser Photonen ist seinerseits in der Lage andereAtome zur Strahlungsemission anzuregen, d.

h.

die spontan freigesetzten Photonen stimulieren andere Atome zur Aussendung weiterer Photonen (stimulierte Emission) undgehen aus diesem Prozess unverändert hervor.

Sowohl die spontan emittierten, als auch die stimuliert freigesetzten Photonen stimmen in Energie, Ausbreitungsrichtung undPhase überein.

Gemeinsam können beide Photonenarten noch mehr Atome zur Strahlungsemission anregen. Laser nutzen zur Erzeugung von angeregten Atomen eine äußere Energiequelle.

Beim so genannten optischen Pumpen (siehe unten) bestrahlt man das Lasermaterial mit einer Wellenlänge und bringt auf diese Weise überdurchschnittlich viele Atome in den angeregten Zustand.

Die eigentliche Verstärkung besteht nun darin, mit Hilfe derstimulierten Emission innerhalb eines Zeitabschnittes mehr Photonen zu erzeugen als zu vernichten (z.

B.

Vernichtung durch Absorption).

Ein weiterer Aspekt ist dieBesetzungsdichte mit Photonen, die bei den energetisch niedrigeren Zuständen natürlicherweise größer ist als bei energetisch höher gelegenen Niveaus.

Um dieseVerhältnisse umzukehren (dies bezeichnet man als Inversion ) muss die externe Energiequelle so auf das Lasermedium einwirken, dass bestimmte höher gelegene Energiezustände bevorzugt besetzt werden.

Als Folge dieses optischen Pumpens wächst die Photonenemission im Atomverband schließlich lawinenartig an.

Diese Vorgänge laufen in der so genannten optischen Verstärkereinheit des Lasers ab. Neben dem optischen Verstärker enthalten Laser zusätzlich einen so genannten Resonator.

Dabei handelt es sich um ein System aus zwei parallelen Spiegeln, zwischendenen die Photonen hin- und hergeworfen werden und die Prozesse im Verstärker vervielfältigen.

Der Spiegel auf der Seite des Laseraustritts ist zu einem gewissenProzentsatz (meist 98 Prozent) lichtdurchlässig.

Im Gegensatz dazu lässt der Spiegel auf der anderen Seite kein Licht durch. Beim so genannten Random-Laser übernehmen Licht streuende Teilchen, wie z.

B.

pulverisiertes Glas, Flüssigkristalle oder auch Partikel bestimmter Farbstoffe die Rolle deroptischen Spiegel.

Stärke und Farbe von Random-Laser sind temperaturabhängig, d.

h., sie lassen sich durch Erwärmen oder Abkühlen der Resonatoreinheit beeinflussen. 3 GESCHICHTLICHES Bereits 1917 lieferte Albert Einstein eine der ersten theoretischen Abhandlungen, die sich mit dem Thema stimulierte Emission befassten.

Den ersten experimentellenNachweis für eine stimulierte Emission gelang 1928.

Im Jahr 1958 beschrieben die Amerikaner Arthur Leonard Schawlow und Charles Hard Townes die Funktionsprinzipiendes Lasers in ihrer Patentschrift.

Das Patent wurde ihnen zwar zugewiesen, später aber von dem amerikanischen Physiker und Techniker Gordon Gould angefochten.

Denersten experimentellen Nachweis für den Lasereffekt brachte 1960 der amerikanische Physiker Theodore Maiman – er prägte den Begriff „Laser”.

Maiman nutzte alsLasermaterial einen Rubinkristall.

Ein Jahr später baute der im Iran geborene amerikanische Physiker Ali Javan den ersten Helium-Neon-Gaslaser; 1966 schließlich. »