Laser - Physik
Laser - Physik
Einleitung
Ein Laser ist eine Lichtquelle, die besonders stark gebündeltes und geordnetes Licht erzeugt. Der Name ist ein englisches Kurzwort für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Laser begegnen Dir im Alltag, in der Medizin, in der Industrie und in der Forschung.
Laserlicht kann sichtbar oder unsichtbar sein. Gerade deshalb ist ein bewusster und sicherer Umgang wichtig. In diesem aiMOOC lernst Du, wie ein Laser aufgebaut ist, warum sein Licht besondere Eigenschaften besitzt und wie sich seine Wellenlänge in einem Schulversuch bestimmen lässt.
Eigenschaften von Laserlicht
Gewöhnliche Lichtquellen senden viele Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen aus. Laserlicht besitzt dagegen meist eine besondere Kombination aus vier Eigenschaften.
Starke Bündelung bedeutet, dass sich der Strahl nur wenig aufweitet. Dadurch kann Licht über große Entfernungen gezielt übertragen werden. Hohe Intensität bedeutet, dass viel Energie auf eine kleine Fläche treffen kann. Nahezu monochromatisches Licht besitzt einen engen Wellenlängenbereich. Kohärenz beschreibt eine feste Beziehung zwischen den Schwingungen der Lichtwellen. Diese Ordnung ermöglicht besonders deutliche Interferenz- und Beugungsmuster.
Ein realer Laserstrahl ist nie vollkommen parallel und nie exakt einfarbig. Seine Eigenschaften hängen von Bauart, Lasermedium und Betriebsweise ab.
Licht als Welle und Photon
Licht lässt sich sowohl als elektromagnetische Welle als auch als Strom von Photonen beschreiben. Ein Photon mit der Frequenz besitzt die Energie
Dabei ist das Plancksche Wirkungsquantum, die Lichtgeschwindigkeit und die Wellenlänge. Eine kleinere Wellenlänge bedeutet bei Licht eine größere Photonenergie.
Physikalische Grundlagen
Atome, Moleküle oder Festkörper können nur bestimmte Energiemengen aufnehmen. Wird Energie zugeführt, können Teilchen in einen angeregten Zustand gelangen. Beim Übergang in einen energieärmeren Zustand kann Licht entstehen.
Absorption, spontane und stimulierte Emission
Bei der Absorption nimmt ein Teilchen ein passendes Photon auf und wechselt in einen höheren Energiezustand. Bei der spontanen Emission fällt ein angeregtes Teilchen ohne äußeren Anstoß zurück und sendet ein Photon aus. Richtung und Zeitpunkt sind dabei nicht festgelegt.
Die stimulierte Emission ist der entscheidende Lasereffekt: Ein passendes Photon trifft auf ein angeregtes Teilchen und löst die Aussendung eines zweiten Photons aus. Beide Photonen stimmen in Frequenz, Ausbreitungsrichtung, Polarisation und Phasenlage überein. So wird Licht geordnet verstärkt.
Besetzungsinversion und Pumpen
Im thermischen Gleichgewicht befinden sich mehr Teilchen in niedrigen als in hohen Energiezuständen. Für eine dauerhafte Lichtverstärkung muss im Lasermedium jedoch eine Besetzungsinversion erzeugt werden: Im oberen Laserniveau befinden sich mehr Teilchen als im unteren Laserniveau.
Die notwendige Energiezufuhr heißt Pumpen. Je nach Lasertyp erfolgt sie zum Beispiel durch eine Blitzlampe, eine elektrische Gasentladung, elektrischen Strom oder einen anderen Laser.
Aufbau und Funktionsweise
Ein einfacher Laser besteht aus einem Lasermedium, einer Pumpe und einem optischen Resonator. Das Lasermedium kann ein Gas, ein Kristall, ein Halbleiter oder eine dotierte Glasfaser sein. Die Pumpe erzeugt angeregte Zustände und damit die Besetzungsinversion.
Der Resonator besteht meist aus zwei Spiegeln. Ein Spiegel reflektiert nahezu vollständig, der andere ist teilweise durchlässig. Licht läuft mehrfach durch das Lasermedium und löst weitere stimulierte Emissionen aus. Ein Teil des verstärkten Lichts verlässt den Resonator durch den teildurchlässigen Spiegel als Laserstrahl.
Der Ablauf lässt sich als Wirkungskette verstehen: Energie wird zugeführt, Teilchen werden angeregt, eine Besetzungsinversion entsteht, Photonen werden durch stimulierte Emission vervielfacht und ein Teil des Lichts wird ausgekoppelt.
Resonanz und mögliche Wellenlängen
Zwischen den Spiegeln werden nur Wellen besonders gut verstärkt, die zum Resonator passen. Vereinfacht gilt für eine stehende Welle im Resonator der Länge :
Dabei ist eine natürliche Zahl. Die erlaubten Schwingungsformen heißen Moden. Das Lasermedium legt mögliche Übergangsenergien fest, der Resonator wählt daraus besonders gut passende Moden aus.
Beispiele für Lasertypen
| Lasertyp | Lasermedium | Typisches Merkmal | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Festkörperlaser | Kristall oder Glas | hohe Leistungen möglich | Rubinlaser |
| Gaslaser | Gasgemisch | gut definierte Wellenlängen | Helium-Neon-Laser |
| Halbleiterlaser | Halbleiter | klein und elektrisch betrieben | Laserdiode |
| Faserlaser | dotierte Glasfaser | gute Strahlführung und Kühlung | Materialbearbeitung |
Rubinlaser
Der erste funktionsfähige Laser war ein Rubinlaser. Sein aktives Medium ist ein Rubinkristall, der durch eine Blitzlampe gepumpt wird. Er arbeitet häufig gepulst und erzeugt rotes Licht.
Helium-Neon-Laser
Beim Helium-Neon-Laser überträgt angeregtes Helium Energie auf Neonatome. Geeignete Übergänge im Neon erzeugen unter anderem rotes Laserlicht mit einer Wellenlänge von ungefähr 633 Nanometern.
Halbleiterlaser
Eine Laserdiode erzeugt Licht in einer Halbleiterstruktur, wenn elektrischer Strom fließt. Halbleiterlaser sind kompakt und werden unter anderem in Glasfaserkommunikation, Scannern, optischen Laufwerken und Entfernungsmessern eingesetzt.
Experimente mit Laserlicht
Laserlicht eignet sich wegen seiner Bündelung und seines engen Wellenlängenbereichs gut für Versuche zu Beugung und Interferenz. Solche Experimente dürfen in der Schule nur mit geeigneten Geräten, klarer Strahlführung und unter Aufsicht durchgeführt werden.
Beugung am Spalt und Gitter
Trifft Laserlicht auf einen engen Spalt, wird es hinter dem Spalt aufgeweitet. Bei einem Doppelspalt oder optischen Gitter überlagern sich die gebeugten Wellen. Auf einem Schirm entstehen helle und dunkle Bereiche.
Wellenlänge mit einem Gitter bestimmen
Bei senkrechtem Lichteinfall gilt für ein optisches Gitter näherungsweise
Dabei ist die Gitterkonstante, der Winkel zum Maximum, die Beugungsordnung und die Wellenlänge. Misst Du den Abstand eines Maximums von der Mitte und den Abstand zwischen Gitter und Schirm, kannst Du den Winkel über
bestimmen. Mehrere Messungen auf beiden Seiten des Zentralmaximums verringern zufällige Messfehler.
Anwendungen
Laser werden eingesetzt, wenn Licht präzise gerichtet, zeitlich gesteuert oder stark fokussiert werden soll. In der Kommunikation übertragen Halbleiterlaser Daten durch Glasfasern. In der Medizin dienen Laser unter anderem zum Schneiden, Abtragen oder gezielten Behandeln von Gewebe. In der Industrie werden Werkstücke vermessen, geschnitten, gebohrt, markiert und geschweißt. In der Messtechnik ermöglichen Laser genaue Entfernungs-, Geschwindigkeits- und Formmessungen. In Forschung und Alltag finden sie sich zum Beispiel in Spektroskopie, Holografie, Barcode-Scannern und optischen Sensoren.
Die Anwendung bestimmt, welche Wellenlänge, Leistung, Pulsdauer und Strahlqualität benötigt werden. Ein Laser ist deshalb keine einzelne Geräteart, sondern eine große Familie verschiedener Lichtquellen.
Lasersicherheit
Laserlicht kann die Netzhaut oder andere Teile des Auges schädigen. Richte einen Laserstrahl niemals auf Augen, Menschen, Tiere, Fahrzeuge oder Flugzeuge. Auch spiegelnde Flächen können gefährliche Reflexionen erzeugen. In Schulversuchen wird der Strahlweg fest aufgebaut, möglichst unter Augenhöhe geführt und mit einem geeigneten Strahlfänger beendet. Verwende nur von der Lehrkraft freigegebene Geräte und verändere den Aufbau nicht eigenmächtig.
Geschichte
Albert Einstein beschrieb 1917 die stimulierte Emission theoretisch. Vorläufer des Lasers waren Maser für Mikrowellen. 1960 baute Theodore Maiman den ersten funktionsfähigen Laser mit einem Rubinkristall. Im selben Jahr wurde auch der Helium-Neon-Laser entwickelt. Seitdem entstanden zahlreiche Gas-, Festkörper-, Halbleiter-, Faser- und Ultrakurzpulslaser.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wofür steht das englische Kurzwort LASER? (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (!Light Alignment by Simple Electric Reflection) (!Linear Absorption through Spectral Energy Rotation) (!Low Angle Signal Emission Receiver)
Welcher Vorgang verstärkt Licht im Lasermedium? (Stimulierte Emission) (!Brechung) (!Wärmeleitung) (!Radioaktiver Zerfall)
Was bedeutet Besetzungsinversion? (Im oberen Laserniveau befinden sich mehr Teilchen als im unteren) (!Alle Teilchen befinden sich im Grundzustand) (!Das Lasermedium enthält keine Atome) (!Die Spiegel tauschen ihre Position)
Welche Aufgabe hat der teildurchlässige Resonatorspiegel? (Er koppelt einen Teil des verstärkten Lichts aus) (!Er wandelt Licht vollständig in Wärme um) (!Er verhindert jede Reflexion) (!Er erzeugt allein die Besetzungsinversion)
Welche Formel beschreibt die Energie eines Photons? (E gleich h mal f) (!E gleich m mal g) (!E gleich U durch I) (!E gleich p mal V)
Welche Eigenschaft ermöglicht deutliche Interferenzmuster? (Kohärenz) (!Dichte) (!Magnetisierung) (!Radioaktivität)
Welches Lasermedium nutzt ein Helium-Neon-Laser? (Ein Gasgemisch) (!Nur reines Wasser) (!Einen Stahlstab) (!Ein Vakuum ohne Teilchen)
Was entsteht hinter einem optischen Gitter bei Laserbeleuchtung? (Ein Beugungs- und Interferenzmuster) (!Nur ein gleichmäßig heller Schirm) (!Ein elektrischer Strom im Schirm) (!Eine dauerhafte Magnetisierung)
Welche Sicherheitsregel gilt immer? (Niemals in den Laserstrahl oder seine Spiegelreflexion blicken) (!Den Strahl auf Augenhöhe führen) (!Spiegel in den Strahlweg halten) (!Den Laser auf Personen richten)
Warum eignen sich Halbleiterlaser für Glasfaserkommunikation? (Sie sind kompakt und elektrisch steuerbar) (!Sie benötigen immer eine offene Flamme) (!Sie arbeiten nur unter Wasser) (!Sie erzeugen ausschließlich Schallwellen)
Memory
| Lasermedium | Stoff zur Lichtverstärkung |
| Pumpen | Zufuhr von Energie |
| Resonator | Anordnung aus Spiegeln |
| Besetzungsinversion | Mehr Teilchen im oberen Laserniveau |
| Kohärenz | Feste Phasenbeziehung |
| Auskoppelspiegel | Teilweise lichtdurchlässiger Spiegel |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Funktion im Laser |
|---|---|
| Pumpe | Energiezufuhr |
| Lasermedium | Lichtverstärkung |
| Vollspiegel | Rückkopplung |
| Auskoppelspiegel | Strahlaustritt |
| Strahlfänger | Sicheres Beenden des Strahlwegs |
Kreuzworträtsel
| Resonator | Wie heißt die Spiegelanordnung eines Lasers? |
| Photon | Wie heißt ein Lichtquant? |
| Pumpen | Wie heißt die Energiezufuhr in das Lasermedium? |
| Kohärenz | Welche Eigenschaft beschreibt eine feste Phasenbeziehung? |
| Beugung | Welcher Welleneffekt tritt an einem engen Spalt auf? |
| Rubin | Welcher Kristall wurde im ersten funktionsfähigen Laser verwendet? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Laser-Wortschatz: Erstelle eine Begriffskarte mit zehn Fachwörtern und jeweils einer eigenen Erklärung.
- Laser im Alltag: Fotografiere oder zeichne fünf Alltagsgeräte, in denen Laser eingesetzt werden könnten, und beschreibe ihre Funktion.
- Sicherheitsplakat: Gestalte ein Plakat mit den wichtigsten Regeln für einen sicheren Laserversuch.
- Aufbauzeichnung: Zeichne einen einfachen Laser mit Pumpe, Lasermedium, Vollspiegel und Auskoppelspiegel.
Standard
- Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, das Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission mit Modellen erklärt.
- Beugungsversuch: Plane unter Anleitung einer Lehrkraft eine Messung der Laserwellenlänge am Gitter und erstelle ein Messprotokoll.
- Lasertypen vergleichen: Vergleiche Rubinlaser, Helium-Neon-Laser und Laserdiode in einer selbst gestalteten Übersicht.
- Anwendungsinterview: Befrage eine Person aus Medizin, Industrie, Vermessung oder Forschung zum Einsatz von Lasern.
Schwer
- Fehleranalyse: Untersuche, wie Messfehler bei der Wellenlängenbestimmung entstehen, und schlage Verbesserungen vor.
- Resonatormodell: Entwickle ein Modell oder eine Animation, die stehende Wellen und mögliche Moden im Resonator zeigt.
- Technikfolgenabschätzung: Bewerte Chancen, Risiken und gesellschaftliche Folgen einer ausgewählten Laseranwendung.
- Forschungsprojekt Laser: Formuliere eine eigene Forschungsfrage, recherchiere verlässliche Quellen und präsentiere Deine Ergebnisse mit Experiment, Modell oder Simulation.
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Lernkontrolle
- Funktionskette erklären: Erkläre, warum Pumpen allein noch keinen Laserstrahl erzeugt und welche weiteren Bedingungen erfüllt sein müssen.
- Lichtquellen vergleichen: Vergleiche Laser, Leuchtdiode und Glühlampe hinsichtlich Richtung, Spektrum und Kohärenz.
- Anwendung auswählen: Entscheide für eine Glasfaserverbindung, eine Materialschneidanlage und einen Unterrichtsversuch jeweils, welche Lasereigenschaften besonders wichtig sind.
- Messdaten auswerten: Bestimme aus vorgegebenen Gitter-, Abstand- und Winkelwerten eine Wellenlänge und beurteile die Plausibilität.
- Sicherheitskonzept: Analysiere einen gezeichneten Versuchsaufbau, finde Gefahrenstellen und verbessere den Strahlweg.
- Modellgrenzen: Erkläre, welche Aspekte der Laserphysik das einfache Teilchenmodell und welche das Wellenmodell besser darstellen.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du den Aufbau eines Lasers beschriften, die Rolle von Pumpen, Besetzungsinversion, stimulierter Emission und Resonator erklären sowie typische Eigenschaften von Laserlicht begründen können. Du solltest außerdem mindestens drei Lasertypen unterscheiden, eine Anwendung mit den benötigten Strahleigenschaften verbinden und grundlegende Sicherheitsregeln anwenden können. Auf erhöhtem Niveau gehört auch die Auswertung eines Beugungsversuchs mit dazu.
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Laserphysik verbindet Optik, Atomphysik, Quantenphysik und Technik. Entscheidend sind die Energiezustände des Lasermediums, die stimulierte Emission, die Besetzungsinversion und die Rückkopplung im Resonator. Die besonderen Eigenschaften des Laserlichts ermöglichen präzise Messungen, schnelle Datenübertragung, medizinische Verfahren und industrielle Bearbeitung. Gleichzeitig verlangt die hohe Bündelung klare Sicherheitsregeln.
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