Woher kommt die Laser-Wellenlänge?

[DJburner]

Moin,

Am Donnerstag halte ich ein Referat über Laser, die Funktionsweise ist mir eigentlich recht klar, bis auf einen Punkt. Die angeregten Elektronen geben ein Photon ab, wenn sie von einem getroffen wurden, und das neue ist genau wie das alte. Also muss es sozusagen ein erstes Photon mit der Wellenlänge pro Betrieb gegeben haben, dass die Kettenreaktion ausgelöst hat. In den Beispielen die ich gesehen habe wurde mit Blitzlampen gepumpt, und es kam ein roter Laser bei raus, wo kommt jetzt das erste "rote" Laser photon her?

Vielen Dank und gruß

Philip

[undineSpektrum]

Hallo Phillip,

eine interessante Frage ... ich gehe mal davon aus Du hältst Dein Referat in der Schule / gymnasiale Oberstufe oder einer vergleichbaren Bildungseinrichtung, richtig ? ( Leider geht das aus Deinem Profil nicht so ganz hervor ... aber ich vermute mal ganz scharf es ist so ... )

Weil Du ja schreibst, Du hast das Prinzip des Lasers im Prinzip verstanden...

Deine Frage ist ja was in einem Laser die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes der Laserstrahlung bestimmt ... das ist durch die Eigenschaften / das Niveauschema der aktiven Substanz ( beim Rubin-Laser sind das Chrom-Atome in dem Aluminiumoxidkristallgitter des Laserkristalls ) beim Helium-Neon-Laser ( das ist der kleine rot leuchtende Laser in der Schule ... die Wellenlänge der Laserstrahlung die er erzeugt ist 632,8 nm !) ist es das Gas Edelgas Neon - das überigens rot-orange leuchtet...
Genauer : der (Energie-) Abstand des oberen Laserniveaus vom unteren Laserniveau bestimmt welche Laserwellenlänge erzeugt wird.

Die Pumplichtquelle ( Blitzlampe o.ä. ) hat damit gar nichts zu tun, deren Wellenlängenspektrum muß einfach so ausgewählt werden, daß es die spektrale Absorbtion des aktiven Materials weitgehend abdeckt - so daß durch Absorbtion der Pumpstrahlung eine Besetzungsinversion des aktiven Materials entsteht. Beim Rubinlaser sind diese Absorbtionsbänder in blauen und grünen Spektralbereich ( um 400 nm und 530 nm etwa... es sind sehr breite Absorbtionsbanden ). Deshalb erscheint der Rubin im Tageslicht leicht rosa... also in der Komplementärfarbe dieser Absorbtionslinien.
Du kannst diese Linien beim Rubinkristall beobachten wenn er mit weißem Licht durchleuchtet wird und das durch den Kristall hindurchgehende Licht mit einem Taschenspektroskop oder einem Prisma oder optischen Gitter in das Spektrum zerlegt wird : Es erscheinen zwei dunkele Linien in Spektrum, wo der Kristall absorbiert (Resonanzabsorbtion)... Du siehst mit der Laserwellenlänge hat die Absorbtion der Pumpstrahlung nichts zu tun, weil sie das Absorbtionsspektrum abdecken muß ( um die Inversion in dem Kristall / aktiven Material ) aufzubauen.

Ist Dir das Niveauschema eines Lasers bekannt ( 3-Niveau-Schema beim Rubin / 4 Niveau-Schema beim He-Ne-Laser ) ? Das erklärt Dir dann auch, warum die Pumpstrahlung immer eine andere ( genauer gesagt : kürzere Wellenlänge ) haben muß als die erzeugte Laserstrahlung. ( Diese ist ohne den Resonator (Spiegel des Lasers ) auch nur eine Flourezenzstrahlung.... )

Alles klar? Falls nicht einfach fragen...!

Viel Erfolg bei Deinem Referat...

Grüße,

Undine

[DJburner]

Jo, ich geh aufs Gymnasium, Sry wegen dem leerem Profil, bin hier eigentlich nur passiv Mitglied

Vielen Dank für deine ausführliche Antwort, ich war erst verwirrt, weil bei Glühlampen Photonen mit verschiedenen Wellenlängen beim spontanem Zerfall entstehen, und dann dachte ich, das ändert nicht das Atom, sondern das Photon, das das Elektron abschießt. Nagut, jetzt kann das Referat losgehen

Gruß

Philip

[ekkard]

... die Funktionsweise ...

... hat dir Undine ja schon ausführlich ausgebreitet.

Die angeregten Elektronen geben ein Photon ab, wenn sie von einem getroffen wurden, und das neue ist genau wie das alte. Also muss es sozusagen ein erstes Photon mit der Wellenlänge pro Betrieb gegeben haben, dass die Kettenreaktion ausgelöst hat. ..., wo kommt jetzt das erste "rote" Laser photon her?

Also, es sind nicht die Elektronen, die "getroffen" werden, sondern die für die Emission zuständigen Energie-Niveaus (Stufen) im Atom, Molekül, Kristallgitter - je nachdem. Es handelt sich um einen "momentan behinderten" Anregungszustand. Der Normalfall ist, dass sich "angeregte Zustände" spontan, d. h. recht schnell entleeren. Dies ist bei Lasermaterialien nicht der Fall. Dort gibt es "gesperrte Übergänge". Die sind quasi "gespannt", wie eine Anordnung von gespannten Mausefallen auf deren Bügeln je ein Tischtennisball liegt. Wenn man einen Tischtennisball auf diese Anordnung fallen lässt, geht es rund!

ABER: Die Sperre ist nicht so, wie bei Mausefallen üblich, sondern gelegentlich gehen auch "gesperrte angeregte Zustände" über in den Grundzustand unter Aussendung eines Photons - und zwar mit exakt der für die weitere Entspannung (Entsperrung) benötigten Wellenlänge. Die "Sperre" gilt also nur für die überwiegende Mehrzahl der Laser-Zustände im Termschema (s. Beitrag Undine). Die "ersten Photonen" entstehen also mit einem gewissen Prozentsatz von allein. (Bei den Riesenzahlen an Photonen ist selbst ein "kleiner Prozentsatz" eine große Anzahl. Also genug, um den Laservorgang in Gang zu setzen - so, als wenn sich gelegentlich eine der o. g. Mausefallen selbständig entlädt.

[DJburner]

Ah ok , verstehe, viele Dank

[ekkard]

Nachtrag: Dass wir von Energie-Niveaus (Stufen) und Wellenlängen reden, hat mit der Gleichung
Energiedifferenz = h*c/Wellenlänge zu tun. Hierin sind h das Plancksche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit. Eine geläufigere Form ist Energiedifferenz = h * f, wobei f die Frequenz des Photons ist. (f = c/Wellenlänge)