Laser

hier war noch kein artikel darüber auf allmy, also starte ich hier einfach. ihr werdet sehen, dass das hier nicht so richtig in diese kategorie passt, ich wollte ihn aber nicht in unterhaltung tun, weil ich es hiermit toternst meine.

In zwei Wochen muss ich ein referat über Laser halten.
Da mir die Physik und einige andere Sachen noch schwer fallen, möchte ich meine Lücken hier schließen.
Das, was ich weiß werde ich hier anschreiben.
Korrigiert mich unbedingt, wenn ich etwas falsch gemacht habe, oder sagt was man noch ergänzen kann/ muss.
Das ist mir wirklich wichtig!

Okay, ich fang an.

(Ich muss alles einfach erklären können, weil wir erst in der 8. Klasse sind, erklärt es mir aber auch bitte möglichst einfach :| )

LASER=Light Ampliphication by stimulated emission of radiation (dt.= Lichtverstärkung durch stimulierte emission)
Die grundlage von jedem laser ist die stimulierte emission.
Die stimulierte emission funktioniert so:
Die atome des laser mediums werden angeregt, indem sie mit anderen atomen zusammenstoßen, oder Photonen, also lichtquanten, absorbieren. Die elektronen der atome kreisen schneller um den kern und gehen jeweils eine bahn nach hinten. (Einfaches Modell)
Man spricht hier von einem höheren energie niveau. Die tiefste stufe ist der grundzustand. es gibt mehrere energie niveaus.

Sagt mir bitte vie das auch bei einem 3 oder 4 niveau laser funktioniert.

Wenn nun noch ein Photon auf dieses atom trifft, dessen energie so groß ist, wie zwischen dem grundzustand und dem höheren energie niveau, fällt das atom auf den grundzustand zurück. dafür sendet es aber zwei photonen (mit der selben wellenlänge?) in die selbe richtung, in die das vorige photon "flog".
So wird eine Art Kettenreaktion ausgelöst.
Den fachausdruck für das "energie dazutun" nennt man pumpen.
Nun muss man sich das folgendermaßen vorstellen:
man hat das Lasermedium in der mitte von zwei spiegeln. der eine spiegel reflektiert (für die typische wellenlänge) zu 100%;
der andere Spiegel reflektiert (für die typische wellenlänge) zu 95%, das heißt, dass immer 5% des lichtstrahls herauskommen.
(darauf folgt, dass es im inneren eines lasers viel heller ist.)
Die Photonen aus der kettenreaktion, die in einem 90° Winkel auf den 100% spiegel trafen, werden in die entgegengesetzte richtung zurück reflektiert.
Diese Photonen lösen wieder eine kettenreaktion aus.
dann kömmen sie zum 95% spiegel und werden dort zu 95% wieder reflektiert und so weiter.
So werden nur photonen der ein und der selben richtung "verstärtk"
Laser Licht hat also eine oder wenige Wellenlängen, also ist es monochromatisch.
Ausserdem hat es eine hohe Winkelkohärenz was es für die industrie interessant macht. (erklärt mir das mit der kohärenz bitte nochmal was genauer)

Nun gibt es auch noch verschiedene arten von lasern

es gibt gaslaser (da weiß ich nicht so viel darüber, bitte erklärt mir das nochmal genauer, wie gaslaser funktionieren.
Bei Hene stoßen die he atome gegen die ne atome und die ne atome werden so angeregt. Genaueres weiß ich eigentlich auch nicht.

dann gibt es noch festkörper laser. Dort ist ein wirts kristall, in dem ionen, meißtens ionen von lanthanoiden, das eigentliche laser medium ist. Der festkörperlaser kann entweder mit blitzlampen gepumpt werden (dann ist er gepulst ??)
oder mit anderen laserdioden gepumpt werden (dpss (diode pumped solid state)) (cw) Das ist zum beispiel der ND Yag laser, ein wichtiger industrie laser. der erste laser überhaupt war ein festkörper laser, nämlich ein rubin laser.

klärt mich bitte noch wegen cw und puls auf. ich weiß nur, dass cw sehr kohärent ist und die ganze zeit strahlt (klar)
und dass puls laser weniger kohärent ist und mehr wellen hat.

dann gibt es noch farbstoff laser. das lasermedium hier ist ein farbstoff, der in einer passenden flüssigkeit gelöst ist und sich in einer küvette befindet. der farbstoff fluoresziert. so wird ein uv laserstrahl durch eine plan-konkav linse aus die küvette fokussiert. an der stelle mit der höchsten energie dichte wird der farbstoff als lasermedium tätig, während die wände der küvette als resonator dienen.

und dann gibt es noch diodenlaser. da weiß ich nur, dass es einen pn übergang gibt und eine kleine photodiode, mit der die stärke gemessen wird. ich weiß leider überhaupt nicht, wie die stimulierte emission bei laserdioden funktioniert. bitte sagt es mir. denn ich kann mir momentan nicht erklären wo der große unterschied zwischen laserdiode und LED liegt.

Ich muss auch einfach mehr zu den einzelnen laserarten wissen.

Ich habe noch die Frage. Nachdem die energie in die atome gepumpt worden ist, emittieren die atome spontan photonen (spontane emission).Sind nun diese spontan emittierten photonen die auslöser der stimulierten emission bei anderen atomen oder sind es die der blitzlampe oder beide??

Bitte verbessert mich oder beantwortet meine fragen. es ist mir wirklich wichtig.

@cognitum wenn du das glück hast ist hier irgendwer physik student oder physiker, ansonsten bereite dic hdrauf vor mit desinformationen und ungenauen daten bombardiert zu werden oder noch besser, von googlern.

@mystery90
ich bin in einem laserforum, wo eigentlich auch experten sind, doch die einen sind zickig, die anderen melden sich nicht genug und ich warte dort auch noch auf strengente antworten.

@cognitum
gehts dir um mangelnde informationen? wie wärs mit einem fachbuch zum thema laser?

@mystery90
ja und nein. mir fehlen die einzelheiten, die ich hier nochmal hinterfragen möchte.
ich bin erst in der 8. klasse, beschäftige mich aber schon seit mehr als einem jahr mit lasern. mit der grund materie bin ich im groben vertraut. weil ich eben erst in der 8. bin, muss ich es meinen mitschülern, die im gegensatz zu mir noch nie etwas von laserphysik gehört haben, verständlich machen, so geht es mir auch um einfache beispiele.
ich habe mir schon die ein oder andere doktor arbeit durchgelesen, davon verstehe ich aber noch nicht so viel.

@cognitum kein wunder, man sollte nicht gleich die königsklasse anstreben sondern schritt für schritt rantasten, informationen aufeinander aufbauen, du bist ja erst inder 8 und interessiert dich schon dafür, ist schon etwas wo man sagen kann: respekt

@mystery90
eben weil ich mich dafür interessiere, finde ich es schade, dass es im ganzen internet so schwer verständlich geschildert ist, so möchte ich meinen klassenkameraden wenigstens zeigen, wie sie allgemein funktionieren. die denken dort noch an "magie" xD

@cognitum
also ich muss sagen, meckern kann man schonmal nicht. ich kann mich ehrlich gesagt nicht mehr an meine eigene damalige 8te klasse erinnern, aber ich glaube derart tiefgründig hatten wir so etwas noch gar nicht. Inwieweit du und deine klassenkam. was mit den einzelnen fachbegriffen anfangen können, musst du selber wissen.
Welche quellen hast du denn schon heran gezogen für die ausarbeitung?
und wie lange soll der vortrag gehen?
für solche themen die nicht derart tiefgründig gehen kannst du ruhig wikipedia als einführung nutzen (darfste aber nicht als quelle nutzen) aber zum verständnis ist es allemal ausreichend.

Wikipedia: Kohärenzlänge
Köhärenz wurd dort recht gut beschrieben. Es ist salopp gesagt die dauer, bis sich 2 ausgesendete photonen "überlappen" aber leis dir das dort nochmal durch.

bei nem gaslaser ist das medium einfach nur gasförmig.
Auf mikro und makro ebene hast dus doch ganz gut erklärt bisher.
wenndu quantentechnisch noch fragen hast, dann musste wohl hier auf die Pros warten. denn da müsste ich auch nachlesen :D

damit du es deinen m.schülern gut erklärst, würde ich vom beispiel einer herkömmlichen lampe ausgehen. denke das ist besser verständlich.

Hier noch paar Vids entweder zum zeigen doer verstehen

laser - physikalische grundlagen

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Halbleiterlaser / Laserdiode Funktion und Aufbau (3D-Animation)

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Grundlagen Workshop zum Thema Laser

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@Cesair
oh! dankeschön dür die videos, die werd ich mir gleich angucken. auf wikipedia habe ich mir die ganzen artikel schon durchgelesen, finde es trotzdem immernochnicht so ganz verständlich.

@cognitum
dann wer lieber mal ganz konkret und sag genau was du nicht verstehst, das wird die sache denke ich erleichtern ;)

Hoi,

Wellenkohärenz bedeutet einfach nur das die Wellen
gleich sind, gleiche Frequenz, Amplitude, Polarität und so
weiter, das Gegenteil davon ist die Dekohärenz, das wären
chaotische Wellen.

Dieser "kommunismus" der abgestrahlten Energie ist ja gerade
der Grund der einen Laser zu einem Laser macht, dadurch
entsteht eben gebündeltes licht.

Und ja, eine Blitzlampe sorgt dafür das, beispielhaft, ein Atom
angeregt wird, dann spontan die Energie die er aufgenommen
hat wieder in die selbe Richtung abstrahlt. Natürlich muss man
aber die Blitze aufrecht erhalten, sonst funktionierts ja nicht^.^ .

Also ja, die spontane Emission sorgt dann für den "Kommunismus",
wird auch Besetzungsinversion genannt. Wie ein König der den
anderen befehlt was sie zu tun haben. Der Blitz einer Pumpquelle
muss dabei immer energiereicher sein als das später vom Laser
abgestrahlte Licht.

Das Prinzip bei allen Lasern ist einfach das die
zugeführte Energie höher als die Energiedifferenz zwischen einem
Energieniveau X und Y sein muss, wäre diese gleich der Energiedifferenz
dann würde genausoviel absorbiert wie emittiert werden, weil die
Wahrscheinlichkeit der Absorbtion und Emission gleich ist.

Also wegen den Fragen zu den verschiedenen niveaus :
Wenn man ein Medium hat das drei Energieniveaus hat, 1,2 und 3.
Dabei ist 1 der Grundzustand. 1 ist deswegen natürlich am meisten
besetzt, weil ja auch Atome immer im energiearmen Grundzustand
sein wollen. Dieses Energieniveau wird jetzt von 1 auf 3 angeregt.
Laut einem berühmten Physiker^.^ ist das Energieniveau 2 weniger
besetzt als 1.

Durch das "Pumpen" von 1 nach 3 gelangt man zu mehr
Teilchen in Niveau 3 als in 2 sind. Die Wahrscheinlichkeit das es aber
zu stimulierten Emission von 3 zurück nach 1 kommt, was man ja nicht
haben will, steigt mit der Zahl der Teilchen in 1 ^.^

Deswegen gibts auch nur noch Niveau 4 Laser weil bei denen
noch ein 4 Niveau hinzukommt. Da wird das Niveau von 1 gleich
auf 4 angeregt, von dort gehen sie nun relativ schnell(ja relativ !!)
auf das energetisch tiefere Niveau 3 zurück. So ist im Durchschnitt
fast kein Teilchen im Niveau 4. Damit wird eine Emission von 3 zu 1 verhindert.

Zusammengefasst:
Die höheren Energieniveaus geben ihre Energie schneller, richtiger
wäre wahrscheinlicher, ab als niedrigere. Der Sprung von Energieniveau
4 auf 3 ist wahrscheinlicher als von 3 auf 2. Weiter muss man die
Energiezufuhr so wählen das die einzelnen Energieniveaus nicht überlastet
werden, weil diese dann sofort auf den Grundzustand fallen, bei
überlastung steigt die Wahrscheinlichkeit das in den Grundzustand
gefallen wird sehr schnell an.
Ist ein Energienivau aber nicht überlastet wird auch das fallen von
4 auf 1 extrem Unwahrscheinlich. Dies wird bei einem 4 Laser
ausgenutzt, man muss einfach nicht so viel hinterher Pumpen weil die
Verteilung viel günstiger ist, sozusagen mehr platz für die Teilchen^.^


Quantenmechanik at its finest ;D


gruß

Die Verteilung der Teilchen gibt die berühmte Boltzmann-Statistik an.

erneuten gruß
:)

Uhm, noch kurz zu der Besetzungsinversion.
Das bedeutet nur das sich einfach mehr Teilchen im angeregten Zustand befinden als im Grundzustand. Diese Besetzungsinversion ist die Voraussetzung für den LASER

gruß

Es gibt üprigens noch den MASER, welcher der Vogänger von dem LASER ist.

gruß und so

@E.Wallace
Oh vielen vielen dank :)
Ich hab alles gut verstanden :)
Endlich auch mal das mit den Energie niveaus :D
Das mit dem maser wusste ich schon.
das ist doch nur im mikro wellen bereich, ne?

Jop^.^
Es gibt sogar natürliche Laser/Maser im Weltraum :

http://www.scienceblogs.de/diaxs-rake/2010/01/ein-laserstern.php

gruß

Puls beutet halt, das man nur einen kurzen Impuls hat vllt. zu vergleichen mit einem Fotoblitz. Dieser Puls wird z.B. durch die Entladung eines Kondensators erzeugt.

@cognitum
Ich hab dieses Thema auch vorbereiten müssen :D

Sie Stimmulierte Emmision würd ich noch mal durchschaun und ordentlich erklären mit Wörtern die jeder versteht!

http://www.leifiphysik.de/web_ph11_g8/umwelt_technik/08laser/stim_emission/stimuliert.htm (Archiv-Version vom 09.09.2011)

@mbmbmb
ja, da hast du schon recht, ich hab aber auch gehört, dass pulslaser eine geringe winkelkohärenz haben und dafür ein breiteres spektrum. das gegenteil ist hier eben continious wave.

@Pumpkins
oh nett von dir, aber diese seite kannte ich schon :D
ich hab jetzt noch eine frage, oder besser gesagt zwei. wie kann man sich photonen nun vorstellen.
sind es kleine dinger die sich in wellen fortbewegen oder wie? und ich dachte wenn man ein angeregtes atom hat und da ein hoton drauf kommt, kommen da zwei identische in die selbe richtung wieder raus.
hier hieß es aber, dass die lichtwellen, die rauskommen, eine höhere frequenz haben, als die ausgangswelle. aber müsste sich die freuenz des lasers nicht immer höher werden???
das kann doch nicht sein.