Laser, die Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, sind Geräte, die hochfokussiertes, kohärentes und monochromatisches Licht aussenden. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Lichtquellen erzeugen Laser Licht, das sehr präzise ist und mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann. In dieser Lektion werden die Prinzipien von Lasern, ihre Typen und Anwendungen, insbesondere im Bereich der Optik, untersucht.
Das Herzstück des Laserbetriebs ist der Prozess der stimulierten Emission. Bei diesem Prozess wird Licht verstärkt, indem Elektronen in einem Medium (Gas, Feststoff oder Flüssigkeit) auf ein höheres Energieniveau gebracht werden. Wenn diese angeregten Elektronen auf ein niedrigeres Energieniveau zurückkehren, geben sie Photonen (Lichtteilchen) mit spezifischer Energie ab. Wichtig dabei ist, dass diese Photonen andere angeregte Elektronen dazu anregen, weitere Photonen abzugeben, wodurch eine Kettenreaktion entsteht, die das Licht verstärkt.
Die drei Hauptkomponenten eines Lasers sind:
Der Schlüssel zum Laserbetrieb ist das Erreichen eines Zustands namens „Besetzungsinversion“, bei dem sich im Verstärkungsmedium mehr Elektronen im angeregten Zustand befinden als im Zustand niedrigerer Energie. Dieser Zustand ist notwendig, damit die stimulierte Emission die Absorption dominiert.
Laser können anhand ihres Verstärkungsmediums kategorisiert werden:
Laser haben zahlreiche Aspekte der Optik verändert und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten gefunden:
Zwar sind für umfassende Experimente mit Lasern komplexe Geräte erforderlich, doch die Beobachtung der Interferenzmuster von Laserlichtern kann Einblicke in deren Eigenschaften geben.
Interferenzmuster: Wenn Laserlicht durch zwei eng beieinander liegende Schlitze geht (ein Aufbau, der als Youngs Doppelspaltexperiment bekannt ist), erzeugt es ein Interferenzmuster auf einem hinter den Schlitzen platzierten Bildschirm. Dieses Muster aus hellen und dunklen Bändern demonstriert die Wellennatur des Lichts und die Kohärenz des Laserlichts. Der Abstand zwischen diesen Bändern kann durch die Gleichung angegeben werden:
\(D = \frac{\lambda \cdot L}{d}\)Dabei ist \(D\) der Abstand zwischen benachbarten hellen oder dunklen Bändern, \(\lambda\) die Wellenlänge des Laserlichts, \(L\) der Abstand zwischen den Schlitzen und dem Bildschirm und \(d\) der Abstand zwischen den beiden Schlitzen.
Das Verständnis von Lasern und ihrer Prinzipien führt nicht nur tief in das Gebiet der Optik, sondern öffnet auch Türen zu Innovationen in den Bereichen Kommunikation, Gesundheitswesen und verschiedenen wissenschaftlichen Forschungen. Ihre Präzision und die Möglichkeit, sie sorgfältig zu steuern, machen Laser zu unverzichtbaren Werkzeugen in der modernen Technologie und Forschung.
