Der Laser, auch bekannt als das „hellste Licht“, zählt zu den wichtigsten Erfindungen der Menschheit. Im Alltag begegnen uns immer wieder Laseranwendungen, beispielsweise in der Kosmetik, beim Laserschweißen oder bei der Mückenbekämpfung. Heute wollen wir uns eingehend mit Lasern und den Prinzipien ihrer Funktionsweise befassen.
Was ist ein Laser?
Ein Laser ist eine Lichtquelle, die mithilfe eines Laserstrahls einen speziellen Lichtstrahl erzeugt. Er erzeugt Laserlicht, indem er Energie von einer externen Licht- oder Stromquelle durch stimulierte Strahlung in das Material einbringt.
Ein Laser ist ein optisches Gerät, bestehend aus einem aktiven Medium (z. B. Gas, Feststoff oder Flüssigkeit), das Licht verstärken kann, und einem optischen Reflektor. Das aktive Medium in einem Laser ist üblicherweise ein ausgewähltes und verarbeitetes Material, dessen Eigenschaften die Wellenlänge des Laserstrahls bestimmen.
Das von Lasern erzeugte Licht weist mehrere einzigartige Eigenschaften auf:
Erstens handelt es sich bei Lasern um monochromatisches Licht mit sehr strengen Frequenzen und Wellenlängen, das bestimmte optische Anforderungen erfüllen kann.
Zweitens handelt es sich bei Laserlicht um kohärentes Licht, und die Phase der Lichtwellen ist sehr konstant, wodurch eine relativ stabile Lichtintensität über große Entfernungen aufrechterhalten werden kann.
Drittens sind Laser hochgradig gerichtetes Licht mit sehr schmalen Strahlen und ausgezeichneter Fokussierung, wodurch eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden kann.
Ein Laser ist eine Lichtquelle.
Das Prinzip der Lasererzeugung
Die Erzeugung von Laserlicht umfasst drei grundlegende physikalische Prozesse: stimulierte Strahlung, spontane Emission und stimulierte Absorption.
Sstimulierte Strahlung
Stimulierte Strahlung ist der Schlüssel zur Lasererzeugung. Wird ein Elektron mit hoher Energie durch ein Photon angeregt, emittiert es ein Photon mit derselben Energie, Frequenz, Phase, demselben Polarisationszustand und derselben Ausbreitungsrichtung wie das angeregte Photon. Dieser Vorgang wird als stimulierte Strahlung bezeichnet. Das heißt, ein Photon kann durch stimulierte Strahlung ein identisches Photon „klonen“ und so Licht verstärken.
Sspontane Emission
Wenn ein Elektron eines Atoms, Ions oder Moleküls von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau wechselt, werden Photonen mit einer bestimmten Energiemenge freigesetzt. Dies wird als spontane Emission bezeichnet. Die Emission dieser Photonen erfolgt zufällig, und es besteht keine Kohärenz zwischen den emittierten Photonen. Das bedeutet, dass ihre Phase, ihr Polarisationszustand und ihre Ausbreitungsrichtung zufällig sind.
Sstimulierte Absorption
Wenn ein Elektron auf einem niedrigen Energieniveau ein Photon mit einer Energiedifferenz absorbiert, die gleich seinem eigenen Energieniveau ist, kann es auf ein höheres Energieniveau angeregt werden. Dieser Vorgang wird als stimulierte Absorption bezeichnet.
In Lasern wird üblicherweise ein Resonator aus zwei parallelen Spiegeln verwendet, um die stimulierte Strahlung zu verstärken. Ein Spiegel ist ein Totalreflexionsspiegel, der andere ein Halbreflexionsspiegel, der einen Teil des Laserlichts durchlässt.
Die Photonen im Lasermedium werden zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert, wobei jede Reflexion durch stimulierte Strahlung weitere Photonen erzeugt und so eine Lichtverstärkung erzielt wird. Sobald die Lichtintensität einen bestimmten Wert erreicht, wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel Laserlicht erzeugt.
Veröffentlichungsdatum: 07.12.2023
