Laser

[quoc_hao]

Hallo Leute!

Ich hoffe, dass ihr mir vielleicht helfen könnt. Es geht um einen Effekt bei der Lasererzeugung.

Soweit ich weiß, schießt man bei der Lasererzeugung ein Photon auf einen Atom, das sich in einem angeregten Zustand befindet. Im nachhinein entsteht dann ein neues Photon, dass mit dem ersten Photon identisch ist. Ich bin mir sicher, dass es sich hierbei nicht um den photoelektrische Effekt handelt, aber was für ein Effekt ist es dann??? Und wenn die Atome immer mehr Photonen emittieren, dann müssten sie doch unendlich viele Photonen besitzen, aber das klingt absurd. Doch wenn das nicht so ist, dann müsste ein Laserpointer doch irgendwann nicht mehr funktionieren, wenn sein „Photonenvorrat“ verbraucht ist, oder???

Wenn jemand die Antweort kennt, würde es mich sehr freuen, wenn er/sie es mir vielleicht mitteilen könnte.

Mit freundlichen Grüßen, Hao

[Peter_TOO]

Hallo Hao,

Licht ist Energie.

Wenn dein Atom sich ein Photon einfängt, hat es mehr Energie.

Wenn man aber einem System Energie zuführt ändert sich etwas im System.

Bei deinem Atom wird ein Elektron auf ein höheres Niveau angehoben. Beim alten Schalenmodell befindet es sich dann in einer höheren Schale. Dann ist das Atom angeregt.
Dieser Zustand ist aber nicht stabil, weswegen das Elektron wieder in seine angestammte Schale zurückfällt. Die Energiedifferenz zwischen diesen Schalen wird dann wieder als Photon abgegeben.

MfG Peter(TOO)

[sebastian_e8a5f7]

Moin moin,

die stimulierte Emission, die beim Laser auftritt, ist das Gegenstück zur Absorption. Absorption heißt dass (einfach gesagt) das Photon auf das Atom trifft, ein Elektron in einen energetisch angeregten Zustand versetzt und just diese Energie wieder als Photon abgegeben wird. Bei der spontanen Emission ist die Richtung und die Phase des emittierten Photons zufällig gegenüber der des ursprünglichen Photons, bei der stimulierten Emission hat das emittierte Photon eine definierte Phase und die selbe Richtung - was du als identisches Photon bezeichnest - wie das ursprüngliche. Auf diese Weise entsteht im Laser kohärente Strahlung. Der Photonenvorrat geht dabei nicht aus, weil dem System ja ständig Energie für neue Photonen zugeführt wird, etwa über Pumplichtquellen. Es werden also ständig angeregte Zustände erzeugt die durch die vorhandene Laserstrahlung dazu gebracht werden, sich kohärent abzuregen.

Beim Laserpointer hast Du einen Halbleiterlaser, da wird einfach gesagt aus dem Strom der fließt aus einem Elektron-Loch Paar ein Photon erzeugt, die Energie in Form elektrischer Energie dem System zugeführt.

Grüße,
Sebastian

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[infestimus_22851d]

Moin moin,

die stimulierte Emission, die beim Laser auftritt, ist das
Gegenstück zur Absorption. Absorption heißt dass (einfach
gesagt) das Photon auf das Atom trifft, ein Elektron in einen
energetisch angeregten Zustand versetzt und just diese Energie
wieder als Photon abgegeben wird. Bei der spontanen Emission
ist die Richtung und die Phase des emittierten Photons
zufällig gegenüber der des ursprünglichen Photons, bei der
stimulierten Emission hat das emittierte Photon eine
definierte Phase und die selbe Richtung - was du als
identisches Photon bezeichnest - wie das ursprüngliche.

Ja, genau.

Und die kohärenten Photonen werden dadurch verstärkt, in dem das Laserlicht zwischen Spiegeln hin und her gejagt wird: Das emittierte Licht wird somit genutzt, um weitere Elektronen zur Emission zu stimulieren, es tritt Verstärkung ein. Nur ein Bruchteil des Lichtes tritt aus und bildet den Laserstrahl.

Auf diese Weise entsteht im Laser kohärente Strahlung. Der
Photonenvorrat geht dabei nicht aus, weil dem System ja
ständig Energie für neue Photonen zugeführt wird, etwa über
Pumplichtquellen. Es werden also ständig angeregte Zustände
erzeugt die durch die vorhandene Laserstrahlung dazu gebracht
werden, sich kohärent abzuregen.

Die Bosonen Photonen und Phononen lassen sich in beliebiger Anzahl erzeugen. Da ein Photon Energie hat und Energie erhalten bleibt, muss die Energie zugeführt werden. Ein anderes Beispiel (quasi das Gegenteil zum Laser) ist der Schwarze Strahler (Hohlraumstrahler). Dort wird die Energie zur Erzeugung der Photonen in Form von Wärme zugeführt. Inkohärente Photonen jedweglicher Frequenz werden erzeugt, das Maximum des so erzeugten Spektrums hängt von der Temperatur ab. Beispiel: Sonne ist ein Hohlraumstrahler. Da sie so schön weis leuchtet, dürfte die (Oberflächen-)Temperatur bei einigen 1000 Kelvin liegen.

Dies zeigt ebenfalls und „anschaulich“, dass Photonen belieb erzeugt werden können.

Beim Laserpointer hast Du einen Halbleiterlaser, da wird
einfach gesagt aus dem Strom der fließt aus einem
Elektron-Loch Paar ein Photon erzeugt, die Energie in Form
elektrischer Energie dem System zugeführt.

Grüße,
Sebastian

Hallo Leute!

Ich hoffe, dass ihr mir vielleicht helfen könnt. Es geht um
einen Effekt bei der Lasererzeugung.

Soweit ich weiß, schießt man bei der Lasererzeugung ein Photon
auf einen Atom, das sich in einem angeregten Zustand befindet.
Im nachhinein entsteht dann ein neues Photon, dass mit dem
ersten Photon identisch ist. Ich bin mir sicher, dass es sich
hierbei nicht um den photoelektrische Effekt handelt, aber was
für ein Effekt ist es dann??? Und wenn die Atome immer mehr
Photonen emittieren, dann müssten sie doch unendlich viele
Photonen besitzen, aber das klingt absurd. Doch wenn das nicht
so ist, dann müsste ein Laserpointer doch irgendwann nicht
mehr funktionieren, wenn sein „Photonenvorrat“ verbraucht ist,
oder???

Wenn jemand die Antweort kennt, würde es mich sehr freuen,
wenn er/sie es mir vielleicht mitteilen könnte.

Mit freundlichen Grüßen, Hao

[The_Duke_d48fa2]

Servus,
soweit so gut. Ich möchte noch erwähnen, dass ein Erregephoton (z.B. von einer Lichtquelle) ein Elektron des aktiven Materials zunächst mal soweit anhebt, wie eben Energie vorhanden ist. Das Elektron landet dann erstmal auf einem Zwischenniveau und fällt von diesem auf die nächste stabile „Schale“ hertunter (und emitiert dabei ein Photon mit großer Wellenlänge). Auf dieser Schale würde das elektron sitzen bleiben, ist ja eine stabile Konfiguration.
Es gibt zwei (mir bekannte) Erklärungsmodelle, warum das Elektron seine Ursprungsposition wieder einnimmt.

1. Das Elektron strebt einen energiearmen Zusatand an und „will“ die Erregerenergie wieder loswerden, fällt auf die alte Schale zurück und emittiert dabei ein Photon einer bestimmten, für das aktive Material typischen Wellenlänge (rot, grün, irgendwas halt).

2. Bei der stimulierten Emission geht man davon aus, dass ein vorhandenes Photon die Emission eines weiteren Photon verursacht, also das Nachbarelektron auf seine Ursprungsschale „runterschubst“ und schon sind zwei Photonen gleicher Wellenlänge vorhanden. Wie beginnt nun dieser Prozess? In der Quantenmechanik geht ddie Physik davon aus, dass sich Energie permanent in Masse umwandeln kann (Masse-Energie-Äquivalenz). So entstehen instabile „virtuelle Teilchen“ die sofort wieder verschwinden. Es gibt ein Erklärungsmodell, das besagt, dass der erste Emissionsprozess in einem Laser durch virtuelle Teilchen hervorgerufen wird.

Gruß
The Duke

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[Anonym]

Hallo,

Nur ein
Bruchteil des Lichtes tritt aus und bildet den Laserstrahl.

Das würde dann aber bedeuten, dass der Großteil der Energie im Laser selber in Wärme umgesetzt wird, richtig?

Beispiel: Sonne ist ein Hohlraumstrahler.

Was?

Da sie so schön
weis leuchtet, dürfte die (Oberflächen-)Temperatur bei einigen
1000 Kelvin liegen.

a) sie leuchtet keineswegs weiß, sondern gelb - wie jeder Astronom bestätigen kann.
b) die Oberflächentemperatur kannst Du mal bei wikipedia nachlesen: http://de.wikipedia.org/wiki/Sonne#Sonnenoberfl.C3.A…
c) die Oberfläche ist keineswegs das einzige, was da leuchtet (gleicher link).

Gruß
loderunner

[Oliver_a32c43]

Das würde dann aber bedeuten, dass der Großteil der Energie im
Laser selber in Wärme umgesetzt wird, richtig?

Nein, sondern als resonatorinterne Energie des Strahlungsfeldes.

Gruß
Oliver

[Anonym]

Hallo,

Das würde dann aber bedeuten, dass der Großteil der Energie im
Laser selber in Wärme umgesetzt wird, richtig?

Nein, sondern als resonatorinterne Energie des
Strahlungsfeldes.

Und das platzt dann nach genügend aufpumpen, oder wo geht die Energie dann hin?
Ganz so einfach ist es nun nicht.
Gruß
loderunner

[Oliver_a32c43]

Hallo,

Und das platzt dann nach genügend aufpumpen, oder wo geht die
Energie dann hin?

irgendwann sind die resonatorinternen Verluste (hauptsächlich Streuung und Absorption) und die ausgekoppelte Laserleistung natürlich genau so groß wie die zugeführte Pumpleistung und der Laser ist im Gleichgewicht.

Gruß
Oliver

[Anonym]

Hallo,

irgendwann sind die resonatorinternen Verluste (hauptsächlich
Streuung und Absorption)

Und damit Wärme. Oder was sollte das sonst sein?

und die ausgekoppelte Laserleistung
natürlich genau so groß wie die zugeführte Pumpleistung und
der Laser ist im Gleichgewicht.

Das geschieht in einem Laser meist ziemlich schnell. Oder müssen die erstmal ein paar Stunden ‚vorglühen‘?

Es ging mir um den Satz:

Nur ein Bruchteil des Lichtes tritt aus und bildet den Laserstrahl.

Und das kann eben nur dann sein, wenn der größte Teil des Lichtes in Wärme umgesetzt wird. Wenn man den Wirkungsgrad bei Halbleiterlasern betrachtet (ca 25…50%), kann man das aber nicht mehr als prinzipiell bezeichnen. Oder ich verstehe unter ‚Bruchteil‘ etwas anderes.

Gruß
loderunner

[Oliver_a32c43]

Hallo,

irgendwann sind die resonatorinternen Verluste (hauptsächlich
Streuung und Absorption)

Und damit Wärme. Oder was sollte das sonst sein?

Wenn das Ganze in einem Kasen ist, werden die Streuverluste oder die Verluste durch spontane Emission letztendlich natürlich als Wärme abgeführt. Das ist richtig.

Das geschieht in einem Laser meist ziemlich schnell.

Ja, beim Nd:YAG Festkörperlaser sind es beispielsweise einige Millisekunden.

Wenn man den Wirkungsgrad bei
Halbleiterlasern betrachtet (ca 25…50%), kann man das aber
nicht mehr als prinzipiell bezeichnen. Oder ich verstehe unter
‚Bruchteil‘ etwas anderes.

Wir werden jetzt aber hoffentlich nicht ausdiskutieren, ab welcher Prozentzahl man von einem ‚Bruchteil‘ sprechen darf, oder?

Gruß
Oliver

[infestimus_22851d]

Hallo,

Nur ein
Bruchteil des Lichtes tritt aus und bildet den Laserstrahl.

Das würde dann aber bedeuten, dass der Großteil der Energie im
Laser selber in Wärme umgesetzt wird, richtig?

Beispiel: Sonne ist ein Hohlraumstrahler.

Was?

Hohlraumstrahler oder Schwarzer Strahler!

Da sie so schön
weis leuchtet, dürfte die (Oberflächen-)Temperatur bei einigen
1000 Kelvin liegen.

a) sie leuchtet keineswegs weiß, sondern gelb - wie jeder
Astronom bestätigen kann.

Meine Sonne leuchtet rot, ich gerade nachgeschaut …

Wusste nicht, dass alle Astronomen schon draußen im Weltall waren, um die Sonne zu betrachten - ist der Weltraumtourismus schon so weit?

Spass beiseite: gelb, das wäre ja monochromatisch. Warum machen wir uns dann im Physiksaal so viel Mühe, um eine monochromatische Lichtquelle zu erhalten?

Also, meine Sonne ist ein schwarzer Strahler, der (approximativ) weis leuchtet. Die exakte Spektraldichte gibt man am Besten mit der Planck’schen Verteilungsfunktion an, in der man die unten aufgeführte Temperatur der Sonnenoberfläche einsetzt.

b) die Oberflächentemperatur kannst Du mal bei wikipedia
nachlesen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonne#Sonnenoberfl.C3.A…

5500 grd Celsius. Aber das ist so abstrakt. Ich schätze einmal, die Sonne leuchtet wie flüssiges Wolfram kurz bevor es zu sieden anfängt.

c) die Oberfläche ist keineswegs das einzige, was da leuchtet
(gleicher link).

Egal, was bei der Sonne leuchtet: Die Sonne gilt als Paradebeispiel eines Schwarzen Strahlers, da die von der Sonnenoberfläche emittierten Photonen so oft gestreut wurden, dass sie im thermischen Gleichgewicht mit ihr stehen: Die Spektralverteilung genügt der Planck-Verteilung.

Gruß
loderunner