Wie funktioniert ein Laser

Summary

In diesem Video wird auf anschauliche Weise erklärt, wie ein Laser funktioniert. Der Begriff 'Laser' steht für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Es wird erläutert, dass Laserstrahlen besondere Eigenschaften wie hohe Kohärenz, Monochromatizität und präzise Fokussierung aufweisen. Der Prozess zur Erzeugung von Laserlicht wird anhand der Quantenphysik, speziell Einsteins Theorie der Strahlung, erklärt. Zudem wird beschrieben, wie Laser in verschiedenen Bereichen wie Medizin, Industrie und Datenübertragung Anwendung finden. Abschließend wird der Vorgang der Besetzungsinversion und die Funktionsweise des Resonators zur Verstärkung des Lichts behandelt.

Takeaways

• 😀 Laser ist ein Akronym und steht für 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation'.
• 😀 Laserlicht ist besonders, weil es monochromatisch (einfarbig), räumlich und zeitlich kohärent ist.
• 😀 Im Vergleich zu gewöhnlichem Licht, das sich in alle Richtungen ausbreitet, ist Laserlicht hochgradig fokussiert und bleibt auf seiner Bahn.
• 😀 Laserstrahlen bestehen aus Photonen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, und haben sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter.
• 😀 Die Entstehung von Laserlicht basiert auf dem physikalischen Prinzip der 'stimulierten Emission' von Photonen.
• 😀 Albert Einstein legte die theoretischen Grundlagen für die Laserphysik im Jahr 1917, doch der erste funktionierende Laser wurde 1960 gebaut.
• 😀 Ein wichtiger physikalischer Prozess für Laser ist die 'besetzte Inversion', bei der mehr Atome in einem angeregten Zustand sind als in einem niedrigeren Zustand.
• 😀 Laser können zur präzisen Bearbeitung von Materialien (z.B. Schneiden und Gravieren) sowie für medizinische Anwendungen wie Augenoperationen verwendet werden.
• 😀 Laserstrahlen haben eine hohe Intensität und Präzision, weshalb sie in vielen Technologien unverzichtbar sind, z.B. in der Telekommunikation oder Chirurgie.
• 😀 Der Laserstrahl wird in einem Resonator verstärkt, wobei zwei Spiegel das Licht reflektieren und dadurch eine Kettenreaktion aus Photonen erzeugen.
• 😀 Der Resonator sorgt dafür, dass das Licht durch konstruktive Interferenz verstärkt wird, wodurch ein intensiver, kohärenter Laserstrahl entsteht.

Q & A

Was bedeutet das Akronym LASER und was beschreibt es?

LASER steht für 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation' und beschreibt sowohl den physikalischen Effekt als auch das Gerät, mit dem Laserstrahlen erzeugt werden.

Wann wurden die theoretischen Grundlagen für den Laser gelegt und wer war der Pionier?

Die theoretischen Grundlagen für den Laser wurden 1917 von Albert Einstein gelegt, wobei der erste funktionierende Laser jedoch erst 1960 von dem amerikanischen Physiker Theodore Maiman gebaut wurde.

Was sind die Hauptunterschiede zwischen Laserlicht und gewöhnlichem Licht?

Laserlicht ist hochgradig monochromatisch (einfarbig), räumlich kohärent (strahlt in einem engen, geraden Beam) und temporär kohärent (die Wellen sind über lange Distanzen synchron). Gewöhnliches Licht ist hingegen breitbandig und ungerichtet.

Was versteht man unter räumlicher Kohärenz bei Laserlicht?

Räumliche Kohärenz bedeutet, dass der Laserstrahl in einer engen, geraden Linie bleibt und sich nicht wie bei einer Glühbirne in alle Richtungen ausbreitet.

Warum ist Laserlicht monochromatisch?

Laserlicht ist monochromatisch, weil es nur Licht einer spezifischen Wellenlänge oder nur einer kleinen Auswahl an Wellenlängen aussendet, im Gegensatz zu gewöhnlichem Licht, das viele verschiedene Farben (Wellenlängen) umfasst.

Was beschreibt der Begriff 'zeitliche Kohärenz' im Zusammenhang mit Laserlicht?

Zeitliche Kohärenz bedeutet, dass die Lichtwellen im Laserstrahl über eine lange Zeit hinweg synchron schwingen, was eine gleichbleibende und fokussierte Lichtwelle erzeugt.

Welche Bedeutung hat die 'besetzte Inversion' für die Funktionsweise eines Lasers?

Die besetzte Inversion bedeutet, dass mehr Atome in einem angeregten Zustand als in einem Grundzustand vorliegen müssen. Nur in diesem Zustand kann der Laserprozess durch stimulierte Emission effizient ablaufen.

Was ist der Unterschied zwischen spontaner und stimulierter Emission?

Spontane Emission ist die zufällige Aussendung von Photonen, wenn ein Atom von einem angeregten Zustand in einen niedrigeren Zustand fällt. Bei der stimulierten Emission wird ein Photon gezielt erzeugt, wenn ein Photon auf ein angeregtes Atom trifft und es dazu anregt, ein identisches Photon abzugeben.

Was ist der Resonator in einem Laser und welche Funktion hat er?

Der Resonator besteht aus zwei Spiegeln, die den Laserstrahl reflektieren und die Photonen immer wieder auf die Atome zurückwerfen, um mehr Photonen zu erzeugen. Er sorgt dafür, dass das Licht konzentriert und verstärkt wird.

Wie wird der Laserstrahl letztlich aus dem Resonator herausgeführt?

Ein Spiegel im Resonator ist teilweise durchlässig, wodurch ein Teil des Lichtes als Laserstrahl austritt. Dieser austretende Laserstrahl ist das sichtbare Ergebnis des Laserprozesses.