Physik-LK · Skript 5 · Quantenphysik
Laser
Ein angeregtes Atom kann ein Photon spontan aussenden. Es kann aber auch von einem vorbeifliegenden Photon passender Energie dazu angeregt werden: Bei der stimulierten Emission gleicht das neue Photon dem auslösenden in Frequenz, Richtung und Phase. Prüfungsstoff sind die Eigenschaften von Laserlicht im Photonenmodell. Besetzungsinversion und Resonator gehen darüber hinaus.
So gehst du vor
- 1Erprobe am einzelnen Atom die drei Prozesse: Schicke ein Photon, rege das Atom an, schicke noch ein Photon, oder warte.
- 2Im Resonator startet die Pumpe bei 0 %. Erhöhe sie langsam und beobachte Besetzung, N2 − N1 und die Zahl der Photonen.
- 3Ändere den Reflexionsgrad des Auskoppelspiegels oder nimm die Spiegel weg. Mit „langsam“ kannst du einzelne Photonen verfolgen.
- 4Rechne zum Schluss mit dem Photonenbild: Wie viele Photonen sendet ein Laserpointer je Sekunde aus?
A Drei Prozesse an einem Atom
Das Atom ist im Grundzustand E₁.
Das Photon hat genau die passende Energie h f = E2 − E1.
B Viele Atome zwischen zwei Spiegeln
Volle Punkte: Atome in E2, leere: in E1. Kräftig rot: Photonen längs der Achse, blass: spontane Photonen in andere Richtungen, die das Medium verlassen. N2 und N1 sind die Anzahlen der Atome in den Niveaus. Das Modell hat 96 Atome, ein echter Laser unvorstellbar viele.
Pumpleistung
0 %Reflexionsgrad rechts
90 %Tempo
C Der Strahl im Photonenbild
Laser
Leistung P
1,0 mWRechnung
E = h · f = h · cλ = 3,14 · 10−19 J = 1,96 eV
p = hλ = 1,05 · 10−27 kg · ms
Nt = Ph · f = 3,2 · 1015 Photonen je Sekunde
Aufträge
- Löse am einzelnen Atom alle drei Prozesse aus. Notiere für jeden, was vorher und nachher vorliegt und wie viele Photonen es danach gibt.
- Erhöhe die Pumpleistung in Schritten von 10 % und warte jeweils ab. Ab welcher Pumpleistung entsteht ein Laserstrahl? Wie steht es dann mit den Besetzungen?
- Pumpe nun stärker, bis 80 %. Was wächst, was bleibt fast gleich? Erkläre das.
- Nimm bei 80 % Pumpleistung die Spiegel weg. Welche Aufgabe haben sie?
- Senke den Reflexionsgrad von 90 % auf 70 %. Wie ändern sich Schwelle und Inversion? Warum darf der rechte Spiegel trotzdem nicht ganz dicht sein?
- Erläutere mit dem Photonenmodell, warum Laserlicht monochromatisch, gut gebündelt und kohärent ist.
- Skriptaufgabe: Ein Helium-Neon-Laser sendet 1,0 mW bei 633 nm aus. Berechne die Energie eines Photons in eV, seinen Impuls und die Anzahl der Photonen je Sekunde. Prüfe mit Teil C.
Theorie: Skript Quantenphysik, Abschnitt „Der Laser“ mit dem Merkkasten „Laserlicht im Photonenmodell“, zu den Energieniveaus der Abschnitt „Energieniveaus: Emission und Absorption“.