11 Lichttheorie

Unter Besetzungsinversion versteht man, dass sich mehr Elektronen im angeregten Zustand befinden als im normalen Zustand.

Zwischen den Spiegeln erfolgt eine Überlagerung von hin- und zurücklaufenden Wellen, was zu einer stehenden Welle führt. Bei diesen Durchläufen erhöht sich infolge der Stimulierten Emission die Anzahl der kohäenten Lichtquanten lawinenartig. => Lawineneffekt

(1) mit hilfe von Pumpenergie werden die Elektronen in einen angeregten Zustand gehoben

(2) Fällt ein angeregtes Elektron in den Grundzustand zurück sendet es ein Photon in eine beliebie Richtung aus (= spontane Emission) trifft dieses Photon zufällig auf einen Spiegel, wird es ins Laseraktive Medium zurückreflektiert.

Trifft es dort auf ein angeregtes Elektron,kommt es zur stimmulierten Emission. Beim weiteren Durchgang tritt dieser Effekt gehäuft auf (=Lawineneffekt).

Dieser Lichtstrahl pendelt zwischen den Spiegel, welche in einem Abstand von K*Lambda sein müssen, damit es zur Verstärkung und nicht zur Auslöschung kommt.

Ist einer dieser Spiegel teilweise Durchlässig, kann kohärentes Laserlicht austreten.

Er führte die Quanisierung des Lichtes (der Energie) ein.

Als Quanten werden nicht teilbare Energiepakete (z.B.: Elektron, Photon) bezeichnet.

thermische Strahlung

Masselose Lichtteilchen werden Photonen genannt. Ein Photon ist das Quant des elektromagnetischen Feldes. Bemerkung: Quant = Elementarteilchen

Da Energiequanten sehr klein sind, verglichen mit Energiebeträgen im Alltag, verwendet man eine kleinere Energieeinheit, das Elektronenvolt (eV).

Bemerkung: 1eV=1,6·10^-19J

Photonen haben keine Ruhemasse. Wenn sie sich nicht bewegen gibt es sie nicht.

Heute wird grob zwischen 3 Laserarten unterschieden, die den "Markt beherrschen".

Diese sind Festkörperlaser, Gaslaser und Halbleiterlaser.

Sie unterscheiden sich durch das verwendete laseraktive Medium.

Optische Laufwerke:

CD-ROM-Laufwerke besitzen wie andere optische Laufwerke Laserdioden zur Abtastung. Dabei werden bei CDs 780 nm (infrarot), bei DVDs 650 nm (rot) und bei Blu Ray discs 405 nm (violett) Wellenlänge verwendet.

Laserskalpell:

ist ein Skalpell, das Gewebe durch Verdampfung mit der Energie eines Laserstrahls schneidet. Als Lichtquellen dienen Festkörperlaser und CO₂-Laser.Ein großer Vorteil ist, dass Blutgefäße direkt verschlossen werden und Wunden somit nicht bluten.

Laserpointer:

Bei den grünen Modellen wird üblicherweise ein frequenzverdoppelter DPSS-Laser (mit Strahlung von Diodenlasern gepumpter Festkörperlaser, Bild) (532 nm) eingesetzt. Seit 2012 sind auch direkte grüne Laserdioden basierend auf dem Halbleiter Indiumgalliumnitrid (InGaN) verfügbar. Die orangen Modelle verwenden eine Mischung aus zwei Laserquellen. Blaue Modelle verwenden Laserdioden oder DPSS.

Absorbtion ist die aufnahme von Lichtenergie, wodurch die Elektronen in einem Atom in einen angeregten Zustand gehoben werden.

\(p = {h \over λ}\)

h...Plancksches Wirkungsquantum

λ...Wellenlänge

\(E_{1Quant}=h \cdot f\)

h = 6,626 · 10^-34Js ... das Plancksche Wirkungsquantum

400 nm - 800 nm

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Ein Elektron wir durch genau ein Photon herausgelöst, wenn die Energie des Photons ausreicht. (Überschüssige Energie wird zur Beschleunigung des Elektron verwendet.)

Es wurde ein Lichtäther eingeführt.

• unendlich dicht
• Wir merken nichts vom Äther

Ohne äußere Einwirkung fällt das angeregte Elektron nach kurzer Zeit zurück in den Grundzustand und emittiert dabei die absorbierte Wellenlänge (Farblinie) in eine beliebige Himmelsrichtung.

Trifft während der Anregungszeit ein weiteres Photon auf das Atom, so fällt das angeregte Elektron unter Aussendung des absorbierten Photons in den Grundzustand zurück. Beide Photonen verlassen das Atom gleichphasig.

Damit sich der Laserstrahl von selbst verstärkt (= konstruktive Interferenz) muss der Abstand zwischen den Spiegeln ein ganzzahlig Vielfaches von Lambda sein.

• Bem.: k = 1, 2, 3, 4 ...

Dabei wird ein stark beschleunigtes Elektron auf eine Bleiplatte "geschossen" und bremst unter Aussendung von Röntgenstrahlung ab.(=> Bremsstrahlung = Röntgenstrahlung)

Er stellte die Theorie der Quantisierung des Lichtes (eigentlich der Energie) auf.

Seine Theorie beinhaltet, dass Quanten ="Energiepakete" nicht teilbar sind.

E_Quant=h·f       h=6,626·10^-34Js

Durch Zufuhr von Energie (Wärme, Stoßprozesse, Strahlung) werden Elektronen im Atom in einen angeregten Zustand gehoben (=Absorbtion).

Fallen diese angeregten Elektronen nach kurzer Zeit in den Grundzustand zurück, kommt es zur Emission der zuvor absorbierten Energie. Diese Energie entspricht einer exakt definierten Farblinie => Emissionsspektrum.

UV bedeutet Ultraviolett.

UV-Strahlen haben eine Wellenlänge von 100 bis 380 nm (kurzwellig).

Bemerkung: \(1 nm =10^{-9} m\)