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Laser Physik

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Laser Physik

Laser sind aus unserem Leben kaum wegzudenken: von einfachen Laserpointern über DVD-Laufwerke bis zu medizinischer und astronomischer Forschung. Doch wie funktioniert ein Laser eigentlich und welche Eigenschaften unterscheiden ihn von anderen Lichtquellen?

Laser Eigenschaften

Vergleichst Du einen Laser mit einer normalen Lichtquelle (etwa einer Glühbirne), fallen Dir vermutlich sofort einige Unterschiede auf. Zum einen ist Laserlicht stark gebündelt und streut kaum wahrnehmbar.

Die wichtigsten Informationen zum Thema Streuung erfährst Du in der gleichnamigen Erklärung.

Das kannst Du Zuhause in einem einfachen Versuch beobachten. Dazu strahlst Du eine Taschenlampe und einen Laserpointer in einem abgedunkelten Raum mit etwas Abstand (d1) auf eine gerade Fläche. Wie Du auf Abbildung 1 sehen kannst, erscheint dann ein kleiner Punkt gegenüber dem Laser und ein größerer Lichtkegel gegenüber der Taschenlampe.

Verschiebst Du nun die Fläche nach hinten, vergrößert sich der Radius des Lichtkegels mit zunehmender Entfernung (d2). Dagegen verändert sich die Größe des Laserpunkts scheinbar gar nicht.

Als Nächstes platzierst Du ein Prisma zwischen den Lichtquellen und der Fläche. Dabei stellst Du fest, dass das Licht der Taschenlampe am Prisma gebrochen und zerlegt wird. Das scheinbar weiße Licht besteht aus einer Überlagerung von Licht verschiedener Farben.

Laserlicht dagegen besteht nur aus einer Farbe, es ist monochromatisch. Gleichzeitig ist es sehr viel stärker als normales Licht. Einige in der Industrie verwendeten Laser können sogar durch Metall schneiden. Damit dies möglich ist, muss Laserlicht kohärent sein.

In der Physik sprichst Du von Kohärenz, wenn zwei (oder mehr) Wellen in einer festen Phasenbeziehung stehen. Du unterscheidest räumliche und zeitliche Kohärenz. Mehr dazu findest Du in der gleichnamigen Erklärung.

Ein Laser sendet also stark gebündeltes, monochromatisches Licht aus, das zeitlich und räumlich kohärent ist. Über diese drei Eigenschaften lässt sich ein Laser definieren.

Laser Physik einfach erklärt

Ein Laser ist ein technisches Gerät, dessen Funktionsweise bereits im Namen steckt. Laser ist ein Akronym aus den englischen Wörtern "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Übersetzt bedeutet dies "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung".

Ein Akronym ist ein Wort, das sich aus den Anfangsbuchstaben einer Wortfolge zusammensetzt.

Lichtverstärkung beschreibt, was ein Laser konkret tut, während stimulierte Emission das zugrundeliegende physikalische Prinzip ist. Bei der emittierten (ausgesandten) Strahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, also Licht.

Unter einem Laser verstehst Du ein technisches Gerät, das einen gebündelten Lichtstrahl emittiert. Das Licht des Lasers ist kohärent, monochromatisch und wird durch das Prinzip der stimulierten Emission verstärkt.

Manchmal ist mit dem Begriff Laser auch der produzierte Laserstrahl gemeint.

Doch wie genau funktioniert diese Lichtverstärkung und was ist eigentlich stimulierte Emission? Um das zu verstehen, lohnt es sich, einen Blick auf die physikalischen Grundlagen des Lichts zu werfen.

Laser Physik Grundlagen

Die Grundlagen der Lasertechnologie legte Albert Einstein bereits zu Anfang des 20. Jahrhunderts mit seiner Theorie des Lichts und der stimulierten Emission.

Licht besteht aus kleinen Paketen elektromagnetischer Strahlung, den sogenannten Photonen (auch Lichtquanten). Diese Photonen besitzen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Du sprichst von dem sogenannten Welle-Teilchen-Dualismus.

Alles Wichtige zum Quantenobjekt Photon und zum Welle-Teilchen-Dualismus kannst Du in den gleichnamigen Erklärungen nachlesen.

Verschiedene Lichtquellen, wie die Sonne, eine Glühbirne und auch Laser, senden Photonen aus. Dabei hängt die Wellenlänge eines Photons von seiner Energie ab: je größer die Energie, desto kleiner die Wellenlänge.

Photonen entstehen im Inneren dieser Lichtquellen, wenn ein Elektron aus einem angeregten Energiezustand in einen niedrigeren Energiezustand wechselt. Mehr zu den Energieniveaus von Elektronen erfährst Du in der Vertiefung und in der Erklärung zum atomaren Energieaustausch.

Jedes Elektron in einem Atom besitzt eine gewisse Energie, die nur ganz bestimmte Werte annehmen kann. Du sprichst von diskreten Energieniveaus. Diese werden oft als Termschema dargestellt:

Dabei handelt es sich um ein Diagramm mit einer vertikalen Achse, auf der die Energie eingezeichnet ist und parallelen Linien, die die verschiedenen Energieniveaus darstellen.

Nimmt ein Elektron Energie von außen auf (Absorption) zum Beispiel durch ein Photon oder elektrische Energie, kann es auf ein höheres Energieniveau wechseln. Du bezeichnest dies als einen angeregten Energiezustand. Dies geschieht allerdings nur dann, wenn die aufgenommene Energie genau der Differenz zwischen dem ursprünglichen und einem höheren Energieniveau entspricht.

Der Übergang eines Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau kann entweder spontan oder durch äußere Einflüsse erfolgen.

Laser Licht Physik

Der angeregte Energiezustand eines Elektrons ist instabil. Das bedeutet, dass das Elektron schnell in seinen ursprünglichen Zustand (Grundzustand) zurückkehrt. Dabei gibt es die zuvor aufgenommene Energie in Form eines Photons ab. Der genaue Zeitpunkt dieses Ereignisses kann nicht genau bestimmt werden, deshalb sprichst Du von spontaner Emission.

Während der Prozess der spontanen Emission beim Einschalten einer Glühbirne in Gang gesetzt wird, so basiert ein Laser auf dem Phänomen der stimulierten Emission.

Trifft ein Photon auf ein Elektron in einem angeregten Energiezustand, so kann dieses den Übergang des Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau auslösen. Dabei muss die Energie des auftreffenden Photons genau der Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus betragen.

Beim Übergang in den niedrigeren Energiezustand sendet das Elektron ein Photon aus, das dieselbe Wellenlänge, Polarisation, Phase und Richtung wie das auftreffende Photon hat (sie sind kohärent). Du kannst Dir das neu erzeugte Photon wie eine Kopie oder einen Klon des ursprünglichen Photons vorstellen.

Spontane Emission bezeichnet die Aussendung eines Photons durch den Übergang eines Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau zu einem zufälligen Zeitpunkt.

Wird der Übergang durch das Auftreffen eines Photons ausgelöst, sprichst Du von stimulierter (auch induzierter) Emission. Das dabei ausgesendete Photon ist kohärent zum aufgetroffenen Photon.

In einem Laser wird das Licht durch stimulierte Emission erzeugt, dabei wird das Phänomen genutzt, dass sich kohärentes Licht durch Interferenz verstärken kann.

Interferenz

Interferenz ist ein Phänomen, das bei allen Arten von Wellen auftreten kann, die kohärent zueinander sind. Du unterscheidest konstruktive von destruktiver Interferenz.

Interferenz bezeichnet die Überlagerung (Superposition) von zwei oder mehr kohärenten Wellen. Bei konstruktiver Interferenz treffen jeweils die Wellenberge (Maxima) aufeinander und verstärken sich dabei gegenseitig.

Treffen hingegen die Wellenberge einer Welle auf die Wellentäler (Minima) einer anderen Welle, führt dies zur gegenseitigen Abschwächung, destruktiver Interferenz.

Für eine ausführlichere Beschreibung der Interferenz kannst Du in der entsprechenden Erklärung nachlesen.

Bei stimulierter Emission sind die Photonen kohärent, wodurch sie sich überlagern können. Richtig eingestellt, kommt es im Laser zu konstruktiver Interferenz. Daher stammen auch die ersten beiden Buchstaben des zusammengesetzten Worts Laser: Light Amplification – Lichtverstärkung.

Doch wie genau wird die stimulierte Emission und die konstruktive Interferenz in einem Laser erzeugt?

Dazu lohnt sich ein Blick ins Innere eines Lasers.

Laser Aufbau Physik

In einem Versuch kannst Du einen eigenen Laser bauen. Dafür benötigst Du die drei grundlegenden Bestandteile eines Lasers: ein Lasermedium, eine Pumpe und einen Resonator.

Die Bauteile ordnest Du anschließend wie auf der folgenden Abbildung gezeigt an:

Das Lasermedium stellt die Atome bereit, in denen die stimulierte Emission stattfinden kann. Als Lasermedium kann zum Beispiel ein Gasgemisch aus Helium und Neon dienen oder auch ein Festkörper wie ein Rubinkristall.

Mithilfe der Pumpe führst Du dem Lasermedium Energie zu und versetzt dessen Elektronen in einen höheren Energiezustand. Bei einem Laser ist es wichtig, dass eine sogenannte Besetzungsinversion erzeugt wird. Das bedeutet, dass zu jeder Zeit mehr Elektronen in einem angeregten Zustand als in ihrem Grundzustand sind.

Der angeregte Zustand ist instabil, sodass einige Elektronen sofort in ihren Grundzustand zurückkehren und dabei ein Photon emittieren (spontane Emission). Diese Photonen treffen anschließend auf andere angeregte Elektronen im Lasermedium und regen diese zur Aussendung von weiteren Photonen an (stimulierte Emission).

Dies setzt eine Kettenreaktion in Gang, bei der immer mehr Photonen entstehen, die ihrerseits stimulierte Emission in weiteren Photonen auslösen.

Noch bewegen sich die Photonen allerdings in alle Richtungen. Erst durch den Resonator werden sie gebündelt und weiter verstärkt. Der Resonator besteht aus zwei gegenüberliegenden Spiegeln, die die Photonen reflektieren. Dadurch durchqueren die Photonen das Lasermedium häufiger und setzen durch stimulierte Emission immer mehr Photonen frei. Bei einer bestimmten Ausrichtung der Spiegel zueinander, kann sich eine stehende Welle bilden, die mit sich selbst konstruktiv interferiert.

Doch wie gelangen die Photonen nun aus dem Laser?

Einer der beiden Resonator-Spiegel ist teilweise durchlässig, das bedeutet, er lässt nur einen geringen Prozentsatz (je nach Lasertyp 1-20%) des auftreffenden Lichts durch. Du bezeichnest diesen Spiegel auch als Auskoppler. Die austretenden (ausgekoppelten) Photonen werden anschließend als eigentlicher Laserstrahl sichtbar.

Doch wozu werden überhaupt diese gebündelten Lichtstrahlen benötigt?

Laser Anwendung Physik

Nachdem Albert Einstein mit seiner Theorie der stimulierten Emission die Grundlage für die Lasertechnologie gelegt hatte, dauerte es weitere 50 Jahre, bis der erste Laser 1960 gebaut wurde. Damals wurde diese Technologie als "solution looking for a problem" 1 bezeichnet, also als Lösung, die nach einem Problem sucht. Man wusste also zunächst nicht, wie man einen Laser einsetzen könnte.

Inzwischen ist die Lasertechnologie die Lösung für eine Vielzahl von Problemen in Wissenschaft, Alltag und Medizin. Im Folgenden findest Du einige ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten.

DVD-Laufwerke

Im Alltag begegnet uns der Laser überall. Vom Barcode-Scanner im Supermarkt und dem einfachen Laserpointer bis zum Laserdrucker und dem DVD-Laufwerk.

Betrachtest Du die Rückseite einer DVD, so fallen Dir wahrscheinlich die feinen, kreisförmigen Rillen im Material auf. Gibst Du die DVD nun in ein Laufwerk, so fährt ein Laser über diese feinen Rillen, die ihrerseits sogenannte Pits besitzen (das sind die kleinen, unregelmäßigen Vertiefungen).

Das Licht wird dabei unterschiedlich reflektiert, je nachdem, ob der Laser gerade über eine Erhöhung oder Vertiefung fährt. Dieses Muster wird in eine Folge von Nullen und Einsen (Binärcode) konvertiert. Aus diesen kann ein Computer dann die auf der DVD gespeicherten Daten auslesen. Dasselbe Prinzip gilt auch für eine CD und ähnliche optische Speichermedien.

LIGO

Auch aus der naturwissenschaftlichen Forschung wäre die Lasertechnologie nicht mehr wegzudenken. Neben der Anwendung zur Untersuchung kleinster Strukturen mit Laser-Mikroskopen, kann die Technik auch angewendet werden, um die Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln. Ein Beispiel ist LIGO, mit dessen Hilfe der Nachweis von Gravitationswellen gelang.

LIGO ist ein Akronym für Laser-Interferometer Gravitationswellen Detektor. Gravitationswellen sind Krümmungen in der Raumzeit, die sich von einer beschleunigten Masse aus wellenartig ausbreiten und dabei Raum und Zeit stauchen und strecken.

In der LIGO-Anlage laufen zwei Laser rechtwinklig zueinander und werden (wie auf der folgenden Abbildung) an verschiedenen Spiegeln reflektiert.

Dort, wo die Laser aufeinandertreffen, interferieren sie. Gravitationswellen führen dazu, dass sich die Länge der Laser verändert. Es kommt zu einer Phasenverschiebung und die Stärke der Interferenz ändert sich. Damit können extrem starke Gravitationswellen nachgewiesen werden.

Diese Erklärung des Funktionsprinzips von LIGO ist stark vereinfacht.

Medizin

In der Medizin werden Laser vorwiegend in der Chirurgie eingesetzt. Das bekannteste Beispiel ist etwa die Korrektur der Sehschärfe durch Laser (refraktive Chirurgie). Dabei wird die Hornhaut des Auges mit einem Laser geformt oder teilweise entfernt und so die Sehschärfe verbessert.

Wie genau funktioniert Sehen eigentlich? Alles Wichtige dazu findest Du in der Erklärung zum Auge.

Weiterhin kommen Laser zunehmend auch in der Tumorbehandlung zum Einsatz. Durch hochpräzise Laser können hauptsächlich oberflächlich liegende Tumore (insbesondere Hautkrebs) behandelt werden, indem die energiereiche Laserstrahlung gezielt Tumorzellen zerstört und entfernt.

Laser - Das Wichtigste

  • Laser sind technische Lichtquellen, die Licht in Form eines gebündelten Strahls emittieren.
  • Laserstrahlen sind kohärent, monochromatisch und streuen wenig.
  • Das Funktionsprinzip eines Lasers basiert auf stimulierter Emission und Interferenz.
  • Stimulierte Emission ist der Wechsel eines angeregten Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau durch Auftreffen eines Photons, dessen Energie der Differenz zwischen den Energieniveaus entspricht. Das Elektron gibt dabei ebenfalls ein Photon ab, welches kohärent zum stimulierenden Photon ist.
  • Interferenz bezeichnet die Überlagerung kohärenter Wellen und deren gegenseitige Abschwächung (destruktive Interferenz) oder Verstärkung (konstruktive Interferenz).
  • Laser bestehen aus einem Lasermedium (zur Anregung), einer Pumpe (zur Energiezufuhr) und einem Resonator (zur Verstärkung und Bündelung des Lichts).
  • Laser kommen beispielsweise im Alltag (DVDs), in der wissenschaftlichen Forschung (Mikroskopie, Gravitationswellen) und in der Medizin (Chirurgie & Tumorbehandlung) zum Einsatz.

Nachweise

  1. Garwin;Lincoln.(2003).A century of nature.University of Chicago Press.
  2. keyence.de: Funktionsprinzipien von Laser. (14.08.2022)
  3. spektrum.de: Laser. (14.08.2022)
  4. weltderphysik.de: Wie funktioniert ein Laser? (14.08.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Laser Physik

In einem Laser werden Photonen durch stimulierte Emission in einem Lasermedium erzeugt. Anschließend werden sie durch die Spiegel in einem Resonator gebündelt und durch konstruktive Interferenz verstärkt.

Laser werden in der Medizin, Forschung und Industrie eingesetzt und begegnen Dir sogar im Alltag.

Laser werden durch stimulierte Emission von Photonen in einem Lasermedium erzeugt. Ein Resonator verstärkt und bündelt das Licht anschließend.

Laser bestehen aus einem Lasermedium (zur Anregung), einer Pumpe (zur Energiezufuhr) und einem Resonator (zur Verstärkung und Bündelung des Lichts).

Finales Laser Physik Quiz

Frage

Nenne drei charakteristische Eigenschaften eines Lasers.

Antwort anzeigen

Antwort

Laserstrahlen sind monochromatisch, kohärent und streuen wenig.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Begriff spontane Emission.

Antwort anzeigen

Antwort

Spontane Emission bezeichnet die Aussendung eines Photons durch den Übergang eines Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau zu einem zufälligen Zeitpunkt.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre das Prinzip der stimulierten Emission.

Antwort anzeigen

Antwort

Stimulierte Emission ist der Wechsel eines angeregten Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau durch Auftreffen eines Photons.


Frage anzeigen

Frage

Gib an, welche Eigenschaft ein auftreffendes Photon haben muss, um eine stimulierte Emission auszulösen.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Energie des auftreffenden Photons muss exakt der Energiedifferenz zwischen dem Energieniveau des Elektrons und einem niedrigeren Energieniveau entsprechen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre das Phänomen der Interferenz.

Antwort anzeigen

Antwort

Interferenz bezeichnet die Überlagerung kohärenter Wellen und deren gegenseitige Abschwächung (destruktive Interferenz) oder Verstärkung (konstruktive Interferenz).


Frage anzeigen

Frage

Nenne die drei wesentlichen Bestandteile eines Lasers.

Antwort anzeigen

Antwort

Resonator

Frage anzeigen

Frage

Gib zwei Anwendungsgebiete eines Lasers in der Medizin an.

Antwort anzeigen

Antwort

Chirurgie

Frage anzeigen

Frage

Gib an, in welcher Beziehung das auftreffende und emittierte Photon bei der stimulierten Emission stehen.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Photonen sind zueinander kohärent.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, welche Art der Interferenz bei Lasern genutzt wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Konstruktive Interferenz

Frage anzeigen

Frage

Gib die jeweilige Funktion der drei Bestandteile eines Lasers an.

Antwort anzeigen

Antwort

Lasermedium: Bereitstellung der Atome, in denen stimulierte Emission stattfinden kann.


Pumpe: Energiezufuhr zur Anregung der Elektronen im Medium


Resonator: Bündelung und Verstärkung des Laserlichts

Frage anzeigen

Frage

Gib die Bestandteile eines Resonators an.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Resonator besteht aus zwei parallelen Spiegeln, von denen einer halbdurchlässig ist.

Frage anzeigen

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