Sie sind hier : Startseite →  Hifi Wissen und Technik→  (2) Die Quellen / Geräte→  Der CD-, SACD-, DVD-Spieler→  Grundlagen-Informationen zur CD→  1966 - Grundlagen des "Lasers" I

Mehrere Artikel aus einer Zeit, als noch fast keiner wußte, was ein "LASER" ist und wofür man ihn brauchen könnte.

von Gert Redlich im Feb. 2020 - Auf den Ingenieur-Seiten der Funkschau von 1966 - schon unter der Regie von Chefredakteur Karl Tetzner -, schrieb ein Ingenieur alles auf, das das damalige 1966er Wissen um den "Maser" und den "Laser" beinhaltete.

Es sind über 16 sehr eng bedruckte Seiten mit erstaunlich vielen Bildern, es wird etwas dauern. Nach dem Scannen und Korrekturlesen fällt auf, daß der Autor - wie so viele Ingenieure - mit den vielen neuen und unerklärten Begriffen arg geschludert hatte. Wenn man es nicht bereits vorher wußte, wurde die Lektüre dieser Artikel teilweise unverständlich und damit mühsam oder sogar langweilig.

In dem Buch von Professor Fischer (aus 2010) wird von Anfang an von dem eigentlichen "Resonator" gesprochen und nicht mal vom "Laser-Stab" oder mal vom "Laser-Block" oder dem "Laser-Rohr". Auch andere Erklärungen mußte ich deutlich korrigieren bzw. anpassen, damit der ganze Text Sinn gemacht hatte.

Eine wesentliche Eigenschaft dieses Resonators, in dem das Laserlicht erzeugt wird, ist der Aggregatzustand der Materie. Dieser Resonator kann entweder (1) flüssig oder (2) gasförmig oder (3) fest sein - und es gibt keine fließenden Übergänge zwischen diesen 3 absoluten Aggregatzuständen.

Soetwas gehört dem Leser vorher !!! erklärt und nicht erst, wenn er bereits von der Fülle der mehrdeutigen Informationen überfordert war. Weitere notwendige Korrekturen stehen dann im betreffenden Text.

.

FUNKSCHAU 1966, Heft 7 - Einführung in die Lasertechnik

Von INGENIEUR H. PRANGE (von Herrn Prange sind bislang keine weiteren Informationen verfügbar.)

1. Teil

Für die grundlegenden Arbeiten auf dem Gebiet der "Quantenelektronik", die zur Konstruktion von Oszillatoren und Verstärkern auf der Basis des "Maser"-"Laser"- Prinzips geführt haben, wurde am 29. Oktober 1964 drei Professoren, nämlich den Professoren Charles Towries von der amerikanischen Universität in Massachusetts und Nikolai Basow und Alexander Prockhorov aus Moskau, der Nobelpreis für Physik zugesprochen.

  • Anmerkung : Der Begriff "Quantenelektronik" verwirrt hier grenzenlos, denn mit Elektronik hatte das alles erstmal überhaupt nichts zu tun. Es geht um die Quanten-Theorie und die Quanten-Mechanik nach Albert Einstein. Das steht gut erklärt in dem Buch von Prof. Fischer.


Damit würdigte die schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm eine Entdeckung, die inzwischen eine stürmische Entwicklung erfahren und die auf diesem Gebiet in der ganzen Welt eine überaus intensive Forschungstätigkeit ausgelöst hat.

Einen zusammenfassenden Beitrag über Grundlagen, Wirkungsweise und Anwendungen des Lasers bringen wir in der hier beginnenden Reihe.
.

Das "Maser"-prinzip

Das Maserprinzip wurde im Jahr 1954 - also bereits vor über zehn Jahren - entdeckt. Das Wort "Maser" ist aus den Anfangsbuchstaben von „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Verstärkung von Mikrowellen durch induzierte Strahlungsemission) entstanden.

"Maser" sind demnach (eine Art) Verstärker, die im "Mikrowellen"-bereich arbeiten. Die weitere Entwicklung brachte im Jahre 1960 nach demselben Prinzip arbeitende Geräte für den "Lichtwellen"-bereich. Für ihre Bezeichnung ersetzte man das Wort "Microwave" (Mikrowellen) durch das Wort "Light" (für Licht bzw. sichtbare Wellen) und gewann als neuen Begriff die Abkürzung "Laser". Die Tabelle 1 zeigt in Stichworten nochmals die Entwicklung.

Tabelle 1. Zur Entwicklung der Maser-Laser-Technik (Stand 1966)

1900 Entdeckung des Wirkungsquantums "h" durch Max Planck
1905 Albert Einstein stellt das Gesetz h • f = E auf
1912 Niels Bohr gibt das erste Atommodell an
1954 Entdeckung des Maserprinzips unabhängig voneinander durch Ch. Townes, N. Basow, A. Prockhorov und J. Weber *1)
1955 Erster "Kristallmaser"
1956 Weiterentwicklung und Anwendung des "Masers"
1958 A. Schawlow und Ch. Townes schlagen vor, das Maserprinzip im Bereich optischer Frequenzen anzuwenden
1959 Funkbildübertragung über einen Maser
1960 Erster Rubinlaser von Th. Maiman
1961 Erster Gaslaser für Dauerstrichbetrieb
1962 Erster Halbleiterlaser (Injektionslaser)

*1) Vergleiche FUNKSCHAU 1966, Heft 1, Seite 32 - "Wer ist der Erfinder des Lasers ?"
.

  • Anmerkung : Der Begriff Dauerstrichbetrieb bedeutet ununterbrochenen Betrieb über längere Zeit. Der Begriff kommt aus der Amateurfunk- wie aus der professionellen Radio/Rundfunk-Sendetechnik.

.

Bild 1 (der Text steht links)

"Maser" und "Laser" können als Verstärker oder als Oszillatoren ausgeführt sein. Größte Bedeutung erlangt haben als Oszillatoren aufgebaute "Laser" (Bild 1). In der Form ungewöhnlicher Lichtquellen eröffnen sie völlig neue Forschungs- und Anwendungsgebiete, wovon zahlreiche im Bereich der Nachrichtentechnik und der Elektronik liegen. Der vorliegende, zusammenfassende Beitrag vermittelt eine Einführung in die Grundlagen, die Wirkungsweise und die Anwendungen des Lasers.
.

  • Text zum Bild 1. Das dargestellte Impuls-Lasergerät von Philips besteht aus dem Laserkopf (rechts), dem Fernbedienungsteil (Mitte) und dem Speisegerät mit einstellbarer Spannung (links). Im Laserkopf sind ein Rubinstab und eine Xenon-Blitzröhre eingebaut. Das Speisegerät ist für eine Arbeit von maximal 500 Wsec ausgelegt. Mit dem schwarzen Kästchen läßt sich die Aufladung und die Zündung fernbedienen.

.

Bild 2a. Das Frequenzspektrum einer kohärenten Strahlung weist eine Frequenz(-Iinie) auf.
Bild 2b. Eine inkohärente Strahlung besteht aus mehreren Frequenz(-Linien)
Bild 3. Auch die Wellendarstellung macht den Unterschied zwischen einer kohärenten (a)
und einer inkohärenten Strahlung (b) deutlich.

Was ist "kohärente" Strahlung ?

Der "Laser" ist eine "Vorrichtung" (oder besser : ein Gerät), das einen kohärenten Lichtstrahl sehr hoher Intensität und sehr scharf gebündelt ausstrahlt, so könnte man - knapp formuliert - einen Laser beschreiben (Stand 1966) (Anmerkung : korrigiert und so ist es nun auch korrekt fomuliert).

Schwer zu verstehen in dieser Beschreibung ist das Wort kohärent. An Hand bekannter Zusammenhänge läßt sich aber leicht angeben, was mit kohärent gemeint ist. Dazu sind in Bild 2 zwei Frequenzspektren einander gegenüber gestellt:

Das Bild 2a zeigt eine kohärente Strahlung; sie weist nur eine Frequenz(-linie) auf.

Die inkohärente Strahlung im Bild 2b dagegen besteht aus einer Anzahl verschiedener Frequenzen unterschiedlicher Amplitude. Damit wird bereits der Unterschied zwischen einer kohärenten und einer inkohärenten Strahlung deutlich:

Eine Frequenz bei der kohärenten Strahlung ist dasselbe wie eine Wellenlänge, wie eine Farbe oder wie eine monochromatische Strahlung.
.

Über Kohärenz gibt es ein unglaubliches Sprachenwirrwar

Für die kohärente Strahlung lassen sich somit verschiedene bekannte Begriffe verwenden, die alle dasselbe meinen. Ihre Anwendung unterscheidet sich nur nach dem Frequenzbereich, in dem sie vorkommen.

Die Merkmale der kohärenten Strahlung zeigen sich auch in der Wellendarstellung in Bild 3a, in der regelmäßig, nach bestimmten Zeitintervallen, immer gleiche Verhältnisse auftreten.

Anders ist das bei der inkohärenten Strahlung in Bild 3b. Treten gleichzeitig mehrere Wellen unterschiedlicher Frequenz, verschiedener Amplitude und ungleicher Phasenbeziehungen auf, dann ergibt sich die gezeigte Unregelmäßigkeit.
.

  • Anmerkung : Das sind Unterschiede durch Subtraktion oder Auslöschungen.

.

Beispiel : Experiment mit Antennen und Lautsprechern
(leider nicht so verständlich)

Noch deutlicher veranschaulicht ein Experiment mit einer Strahlergruppe von Antennen oder Lautsprechern die Zusammenhänge, wenn man die Strahlergruppen in zwei verschiedenen Schaltungen miteinander vergleicht.

Man speist dazu die einzelnen Strahler entweder (in Parallelschaltung) gleichphasig mit einem Generator oder man schließt je einen Strahler an einen eigenen (nicht synchronisierten) Generator an.

Durch Messungen kann man bei der gemeinsamen synchronen Speisung der Strahler eine kohärente Strahlung, bei der getrennten nichtsynchronen Speisung eine inkohärente Strahlung nachweisen.

  • Anmerkung : Diese obige Erklärung wirft mehr Fragen auf, als sie beantwortet. Aus meiner Sicht ist das eine sehr unglückliche Interpretation von "kohärent".

.
Weiter läßt sich nachweisen, daß die Gruppe nicht gleichphasig betriebener Strahler einer Frequenz dieselbe Richtcharakteristik hat wie ein Strahler [Literatur 1]. Das Experiment zeigt auch, daß dagegen die Strahlung der Gruppe gleichphasig arbeitender Strahler um so schärfer gebündelt ist, je größer das Verhältnis ihrer strahlenden Fläche zur Wellenlänge wird.

Da dies beim Laser der Fall ist, liefert der Laser eine kohärente Strahlung "extrem scharfer" Bündelung.
.

  • Anmerkung : Auch diese pauschale Aussage ist verwirrend bzw. nur teilweise richtig. Richtig ist, daß ein Laser ein kohärentes Strahlen- oder Licht-Bündel von Photonen-Emissionen ausstrahlt.
    Auf der anderen Seite hat die (spätere) Laser-Diode zum Beispiel einen recht großen diffusen ovalen Abstrahlwinkel von über 15°, ist also überhaupt nicht scharf gebündelt.

.

Ein Öffnungswinkel von weniger als 1,5 Bogenminuten

Der Öffnungswinkel des "vom Laser" (er meint hier ein Laser-Rohr) abgestrahlten Lichtbündels beträgt weniger als 1,5 Bogenminuten. Keine herkömmliche Lichtquelle erreichte bisher eine derartige Bündelung, auch nicht mit Hilfe zusätzlicher optischer Einrichtungen, wie Spiegel oder Linsenanordnungen.

Ein Laser gibt aber bereits ohne solche Einrichtungen einen scharf gebündelten und dazu kohärenten Lichtstrahl ab, je nach Aufbau und verwendetem Material im sichtbaren, im infraroten oder ultravioletten Bereich.

  • Anmerkung : Hier wird noch ganz korrekt von einem "kohärenten Lichtstrahl" im Bereich des sichtbaren Lichts gesprochen. Auf meine Frage an einen Laser-Experten, wieviele "Laserstrahlen" denn in einem solchen Bündel enthalten seien, kam heraus : Es gibt den einen Laser-Strahl nicht. Es ist immer ein Strahlenebündel von Photonen.


Wie kommt nun eine Laserstrahlung zustande? - Zur Beantwortung dieser Frage müssen wir (nein, "sollten wir", wenn wir das überhaupt studiert hatten ....) uns der folgenden Zusammenhänge erinnern.
.

Grundlagen der Optik und der Atomphysik

Licht braucht zu seiner Entstehung die Materie, auch wenn es selbst nichts Materielles ist. Licht ist ein Vorgang, ein elektromagnetischer Prozeß, dessen Wesen man sich aus der Zusammensetzung der Materie vorstellen (Anmerkung : können) "muß" [2].

Alle materiellen Dinge bestehen aus einer Vielzahl sich ständig in Bewegung befindender Atome oder Moleküle. Dies gilt auch für den Strahler einer Lichtquelle. Jedes Atom kann verschiedene Energiezustände aufweisen. Es hängt ganz von der Atomsorte und den der Sorte eigenen Energieniveaus ab. Zur Erläuterung dieser Zusammenhänge, soll kurz betrachtet werden, wie die einzelnen Atome aufgebaut sind.

Aufbau der Atome

Bild 4. Aufbau eines Atoms

Nach der Vorstellung des Bohrschen Atommodells umkreisen den Atomkern die an ihn gebundenen Elektronen (negative Ladungsträger) auf verschiedenen Bahnen (Bild 4).

Die Bahnen umgeben den Atomkern schalenartig. Jede Schale beschreibt den Energiezustand der darin vorhandenen Elektronen. Die Zahl der im Kern vorhandenen Protonen (positive Ladungsträger) und Neutronen gibt die Ordnungszahl des zugehörigen Elements an.

Atomkern und Elektronen bilden zusammen ein nach außen neutrales System. Der Schalenaufbau der Elektronenhülle ist nach bestimmten Gesetzen festgelegt.

Die Gesetze ergeben sich aus der Ordnung der Elemente nach dem aufsteigenden Gewicht ihrer Atome, worin jedes folgende Atom gegenüber dem vorhergehenden ein Elektron und ein Proton mehr hat.

Für den Aufbau der Elemente benötigt man im Atommodell insgesamt sieben Schalen. Man bezeichnet sie von innen nach außen mit den Buchstaben K bis Q.

Als vollständiges Schema erhält man dann [3]:

n.......... 1 2 3 4 5 6 7
Schale..... K L M N O P Q


Hierin wird n als sogenannte (Haupt-)Quantenzahl den einzelnen Schalen des Atoms zugeordnet [2, 3, 4]. Jede Schale kann nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Wie viele Elektronen jede Schale im Höchstfall aufnehmen kann, zeigt die folgende Aufstellung:

In der Schale K L M N O P Q
mögliche Anzahl der Elektronen 2 8 18 32 32 32 32

Die Atom-Schalen und der Energiezustand

Die einzelnen Schalen werden im Modell von innen nach außen gefüllt. Meist sind die äußeren Schalen bei verschiedenen Atomsorten unterbesetzt. Beim Wasserstoff, dem leichtesten Grundstoff beispielsweise, kreist nur ein Elektron um den Kern, die K-Schale ist also nicht voll besetzt.

Das Heliumatom dagegen hat mit seinen zwei Elektronen eine voll besetzte K-Schale. Die auf die K-Schale folgenden Schalen sind aber ebenfalls nicht besetzt. Bei den Atomen anderer Elemente sind außer der K-Schale auch die nächsten Schalen gefüllt.

Je nach der Art der Besetzung befindet sich das betrachtete Element oder atomare System in einem ganz bestimmten Energiezustand. Man muß sich darum die Schalen weniger als eine räumliche Anordnung der Elektronen um den Atomkern, sondern als eine Aussage der Energie des Elektrons im Atom oder - bei einem Element - des energetischen Zustands des Atoms oder des atomaren Systems vorstellen.

Das Atom-Modell und die Energie-Niveaus

Die Energiewerte oder Zustände, die dabei eingenommen werden können, nennt man Energie-Niveaus.

Die Energie ist als Begriff eine der universellsten Angaben. Im Zusammenhang mit dem Laser interessiert sie in der Form, die beim Aufbau der Atome bedeutungsvoll ist.

Gemeint ist die (potentielle) Bindungsenergie, mit der die einzelnen Elektronen gemäß den Vorstellungen des Atommodells an den Atomkern gebunden sind. Man verwendet für sie das Formelzeichen E und gibt ihren Wert in Elektronenvolt (eV) an.
.

Bild 5. Darstellung zweier Energieniueaus und ihrer Besetzung in einem Diagramm

Wie das (etwas gewöhnungsbedürftige) Bild 5 zeigt, trägt man die einem atomaren System eigenen (diskreten) Energie-Niveaus als waagerechte Linien in einem Diagramm auf. An der senkrechten Achse ist die Energie in eV, auf der waagerechten die Anzahl N der Atome (die Besetzungsdichte) notiert.

Das mit Bild 5 beschriebene System
hat demnach zwei diskrete Energie-Niveaus, nämlich eines mit dem Energie-Betrag E1 und den darin befindlichen N1-Atomen und eines mit E2 und N2-Atomen. Die Energie-Differenz zwischen den beiden Energie-Niveaus beträgt DeltaE = E2-E1.

Im thermischen Gleichgewicht des Systems ist das untere Energieniveau (E1) stärker besetzt als das obere (E2).

Nach der sogenannten Boltzmann-Verteilung gilt nämlich

Hierin sind N1 und N2 die Besetzungsdichten, E1 und E2 die Energiewerte, k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und e die Zahl 2,7 ...

Die induzierte (von außen angeregte) Emission

Stört man dieses thermische Gleichgewicht, so kann ein Übergang der Atome von einem in das andere Energieniveau stattfinden. Bei einem solchen Übergang wird entweder elektromagnetische Strahlung frei oder elektromagnetische Strahlung absorbiert, je nachdem, ob ein Übergang von einem niederen Niveau zu einem höheren geschieht oder umgekehrt.

  • Anmerkung : Hier in dieser rudimentären Beschreibung fehlt, daß dieser Übergang von einem Energieniveau in ein anderes Energieniveau nur in Sprüngen von ganzen Stufen funktioniert und - ganz wichtig - nicht fließend ist. In Professor Fischers Buch ist darum die Erklärung vom sogenannten Quantensprung sehr verständlich erläutert.


Die Frequenz der Strahlung und die Energie sind nach dem von Albert Einstein im Jahre 1905 angegebenen Gesetz

Delta E = h x f (2)

miteinander verbunden. In dieser Gleichung ist "h" das von M. Planck im Jahre 1900 entdeckte Wirkungsquantum, eine Konstante mit dem Wert 6,62 • 10 hoch34 Wsec *2).

Die Gleichung (2) sagt aus, daß nur Energie der Frequenz f absorbiert werden kann, wenn die Energie der Strahlung gleich dem Unterschied der beiden diskreten Energiezustände E2 und E1 - also (E2-E1) - ist, oder umgekehrt, daß nur Strahlung der Frequenz f emittiert werden kann, sofern dem System die Energie Delta E = E2-E1 zugeführt wird.

Die Bereitschaft einzelner Atome des Systems, von einem in einen anderen Energiezustand überzugehen, hängt von der Besetzungsdichte der Energie-Niveaus ab. Bei genügender Besetzung des Niveaus E2 können Atome unter Abgabe einer Strahlung spontan in das Niveau E1 „herunterpurzeln". Man spricht in einem solchen Fall von einer spontanen Emission.

Erklärung von spontanen Emissionen

Bild 6.a) Darstellung der spontanen Emission,
Bild 6.b) der Absorption und
Bild 6.c) der induzierten Emission

In Bild 6a ist die spontane Emission schematisch dargestellt: Atome aus dem Niveau E2 fallen in das Niveau herunter und geben dabei ihre, der Energiedifferenz der beiden Niveaus entsprechende Energie ab in Form einer Strahlung mit der Frequenz

f21 = (E2-E1)/h

Eine andere Möglichkeit des Energieaustausches von Atomen zeigt das Bild 6b: Man kann durch Energiezufuhr Atome von einem niederen in höheres Niveau oder - wie man auch sagt - in den angeregten Zustand bringen.

Die Energiezufuhr geschieht in Form einer dem System ausgesetzten Strahlung. Hierbei wird die Strahlung absorbiert.

Beim Absorptionsvorgang werden also Atome aus einem niederen Niveau in ein höheres Niveau angehoben. Die eingestrahlte Energie wird absorbiert.

Die angehobenen Atome befinden sich im angeregten Zustand. Sie können später, nach einer bestimmten Verweilzeit, wieder in den Grundzustand zurückfallen, wobei die aufgenommene Energie durch eine spontane Emission von Strahlung wieder abgegeben wird.

Induzierte Emission von Strahlung

Die "induzierte Emission" von Strahlung (Bild 6c) ist ein ähnlicher Vorgang zur "spontanen Emission", denn es findet ebenfalls ein Übergang von einem höheren zu einem niederen Niveau statt. Nur erfolgt dieser Übergang nicht unvermittelt, also spontan, sondern induziert oder - wie man häufig auch sagt - (künstlich und gewollt) angeregt oder stimuliert.

Nach Einstein braucht die beim Übergang von einem höheren zu einem niederen Energie-Niveau auftretende Emission von Strahlung nämlich keineswegs zufällig zu sein. Man kann den Übergang und damit die Strahlung auch durch eine Energiezufuhr einleiten, indem man in das obere Niveau einen Energiebetrag einstrahlt, der der Differenz - der beiden Energie-Niveaus, also Delta E = E2-E1, entspricht.

Ein Atom ist zudem dann in gleicher Weise bereit, bei einer auftreffenden Strahlung von einem tieferen Niveau in ein der Strahlungsfrequenz entsprechendes höheres Niveau zu gehen (= aufzusteigen ?), wie von einem höheren zu einem niederen Niveau abzusteigen, wenn es gerade im höheren Niveau war.

Mit wenigen Atomen läßt sich die induzierte Emission von Strahlung praktisch nicht auswerten. Erst eine höhere Anzahl ergibt einen nützlichen Effekt. Vor allem muß das höhere Niveau eine größere Besetztzahl aufweisen als das niedere. Erst dann findet die eingestrahlte Energie mehr Atome im angeregten Zustand vor als im Grundzustand.

Den Vorgang, mit dem man eine höhere Besetztzahl der oberen Energie-Niveaus erreicht, nennt man Pumpen.
.

Voraussetzungen für die "Laserwirkung" (oder Funktion)

Bild 7. Besetzung dreier Energie- niveaus a) im thermischen Gleichgewicht und
Bild 7.b) nach dem Pumpvorgang,
Bild 7.c) Gepumpt wird vom Niveau E1 zum Niveau E3. Die Laser- wirkung erfolgt zwischen den Niveaus E3 und E2

Im Grundzustand wird ein atomares System in den Energie-Niveaus nach Gleichung (1) etwa eine Besetzung aufweisen, wie sie im Bild 7a dargestellt ist.

  • Anmerkung : Jetzt wird auf einmal von "Material" gesprochen, viel besser müsste hier von Anfang an der Begriff des "Resonators" verwendet werden.


Strahlt man nun in ein Material (in den Resonator), für dessen Atome oder Moleküle dieses Niveauschema gilt, eine elektromagnetische Strahlung mit der Frequenz "f1;3 = (E3-E1)/h" ein, so werden durch die Aufnahme von Energie aus der eingestrahlten Welle Atome vom Niveau E1 in das Niveau E3 gehoben.

Aus dem Niveau E3 fallen jedoch auch Atome in das Niveau E1 herab und geben dabei eine Strahlung mit der Frequenz f1;3 ab. Da das Niveau E1 zufolge des Grundzustandes dichter besetzt ist als das Niveau E3, werden bei der Einstrahlung mehr Atome auf das Niveau E3 gehoben als von dort auf E1 herabfallen: Durch die Einstrahlung werden Atome aus dem Zustand E1 in den Zustand E3 hochgepumpt.

Nach dem Pumpvorgang sind die Niveaus E1 und E3, wie in Bild 7b dargestellt, etwa gleich dicht besetzt. Im Mittel fallen ebenso viele Atome wieder in den niederen Zustand zurück als durch die Einstrahlung in den höheren Zustand E3 hochgepumpt werden (Bild 7c).

Strahlt man zudem noch eine Welle mit der Frequenz f2;3 = (E3-E2)/h in das Material ein, so kann - wie vorhin festgestellt - sowohl ein Übergang von E2 nach E3 als auch von E3 nach E2 erfolgen.

Da die Besetzungsdichte des dritten Niveaus infolge des Pumpvorganges sehr viel höher ist als die des zweiten Niveaus, finden mehr Übergänge von E3 nach E2 statt als von E2 nach E3.

Mit einer verhältnismäßig schwachen Strahlung der Frequenz f2;3 wird also eine Strahlung induziert
, die durch die im dritten Niveau gespeicherte Energie verstärkt wird.

Die induzierte Strahlung, eben die Laserstrahlung, wird vom Material (Resonator) ausgestrahlt. Sie ist durch eine größere Energie als die eingestrahlte Welle gekennzeichnet.

Womit auch der Ausdruck "light amplification" (Lichtverstärkung) im Laser erklärt wäre.

.

Die phasengleiche Emission (= kohärent)

Bei der induzierten Emission erfolgen die Übergänge nicht ungeordnet, wie z. B. bei der Lichtemission bisheriger Lichtquellen. Die eingestrahlte Welle der Frequenz f2;3 beim Laser zwingt alle an der induzierten Emission von Strahlung beteiligten Atome zum Gleichtakt.

Die Übergänge von E3 nach E2 sind in Phase, wie man sagt.

Voraussetzung dafür ist aber - wie erwähnt -, daß ein Lasermaterial (Resonator) verwendet wird, dessen atomares System diskrete Energie-Niveaus aufweist, die den geschilderten Pumpvorgang zulassen.

Grundsätzlicher Aufbau eines Lasers (Stand 1966 !)

Bild 8. Anordnung der Pumplichtquelle und des Laserstabes; a = parallele Anordnung,
b = wendelförmige Pumplichtquelle

.

  • Anmerkung : Hier werden jetzt einige Begriffe kreuz und quer benutzt und retorisch ungeschickt eingesetzt. Ich habe das ergänzt.

.
Das Pumpen geschieht beim Laser optisch. Das aktive Lasermaterial (der Resonator)wird der Strahlung einer herkömmlichen Lichtquelle ausgesetzt. Die Pumplichtquelle kann dabei parallel zum Laserstab (Resonator) oder wendelförmig um den Laserstab (Resonator) angeordnet sein (Bild 8 und 9).

Das von außen auftreibende Licht wird vom Laserstab (Resonator) absorbiert. Ähnlich wie bei einem Leuchtstoff kommen die Atome des Materials (Resonators) dadurch in den angeregten Zustand. Beim Zurückfallen der Atome (vgl. Bild 7c) „lasert" das Material, d. h. es strahlt Laserlicht aus.

Praktisch nutzbar ist aber nur die Strahlung, die in der Längsachse des aktiven Materials (des Resonators), also des Laserstabes (des Resonators), verläuft. Man versieht darum den Stab (Resonator) mit planparallelen Endflächen, die zudem noch verspiegelt sind.
.

Zwei Pump-Licht-Quellen im Labor

Bild 9a. Versuchsaufbau mit parallel angeordneter Pumplichtquelle
Bild 9b. Laserapparatur, bei der die Lichtquelle spiralförmig um den Laserstab (Resonator) angebracht ist.

.

Bild 10. Schematische Darstellung der Pumpeinstrahlung

Auf diese Weise erhält man eine Anordnung, die in der Optik unter dem Namen "Fabry-Perot-Etalon" bekannt ist. Dies ist eine Art Resonanzkreis für Lichtwellen (Bild 10).
.

  • Anmerkung : Hier wird erstmalig auf die eigentliche Funktion des Resonators im Resonanz-Kreis hingewiesen.

.

Der Abstand der Spiegel und die Wellenlänge

Bild 11. Einige Laserstabformen: a = zugespitzt,
b = abgerundet,
c = Rubinkern mit Saphirhülle,
d = runder Stab zugespitzt
Bild 12. Das Bild zeigt zwei zylindrische Laserstäbe (Resonatoren) von Carl Zeiss, Oberkochen. Der größere Stab (Resonator) besteht aus Neodym, der kleinere (Resonator) aus Rubin

Zwischen den verspiegelten Endflächen des Laserstabes (des Resonators) kann sich dementsprechend eine Schwingung aufschaukeln, d. h. ein gut paralleles Laserlichtstrahlbündel aufrechterhalten, sofern der Abstand der Spiegel in einem ganz bestimmten Verhältnis zur Wellenlänge der Laserstrahlung steht.

Und da eine der beiden Endflächen halbdurchlässig verspiegelt ist, kann der scharfgebündelte Laserstrahl durch diesen Spiegel aus dem Lasermaterial (Resonator) nach außen treten.

Voraussetzung für die Aufschaukelung ist allerdings, daß die Endflächen des Stabes (Resonators) extrem eben und äußerst genau parallel zueinander gearbeitet sind. Moderne Fertigungsmethoden und Meßverfahren machen dies heute möglich [5].

Um auf die schwierige Verspiegelung der Endflächen verzichten zu können, wählt man häufig auch zugespitzte facettenförmige oder kegelförmige Stabenden oder Endformen mit konfokalen oder mit sphärischen Endflächen, bei denen im Innern des Stabes (des Resonators) eine totale Reflexion auftritt, die eine erhöhte Leistungsfähigkeit des Lasers im Betrieb mit sich bringt (Bild 11) [6].

Für Festkörperlaser werden außerdem auch Resonatoren (hier hat der Autor zum ersten Male den richtigen Begriff gewählt)
in Faserform hergestellt, wobei es verschiedene Ausführungen gibt. Bei einer Ausführung umgibt man einen Rubinstab als Kern mit einem Saphirmantel.

Die Saphirhülle konzentriert - gewissermaßen wie eine Linse - das Pumplicht auf das aktive Lasermaterial, nämlich den Rubinstab.

Gleichzeitig vergrößert sie aber auch die Oberfläche des gesamten Laserstabes und schafft damit eine bessere Kühlfläche für den Laser.

Anstelle von Rubin benutzt man neuerdings auch spezielle Glassorten, z. B. Neodym (Bild 12).
.

.

Literatur

Aus der großen Fülle der Fachliteratur über Laser und ihre Anwendungen wurde hier nur eine enge Auswahl für die Leser dieser einführenden Aufsatzreihe getroffen.
.

  1. [1] Hecht, K.: Einiges zur Physik der Laser. Der mathematische Unterricht, Bd. XVII, Heft 3, Seite 101...110.
  2. [2] WeizeJ, W.: Einführung in die Physik, Band III, Optik und Atomphysik. BI-Hochschultaschenbuch Band 5.
  3. [3] Sommerfeld, A.: Atombau und Spektrallinien.
  4. [4] Physikalische Grundlagen moderner Molekularverstärker-Elektronik. Heft 48 der TR-Reihe, Hallwag-Verlag.
  5. [5} Piper jr., N. B.; Herstellung und Aufbau optischer Laser-Rubinstäbe. Elektronik 12 (1963), Heft 1, Seite 15...18.
  6. [6] Kronenberg, M.: Laser - ein neues Werkzeug der nahen Zukunft?
  7. TZ für praktische Metallbearbeitung . 57 (1963), Seite 129...135. [7] Doeckel, R.: Laser und Laser-Lampen. Elektro-Jahr 1964.
  8. [8] Bowness, C. und Missio, D. V.: Pulsed Solid State Lasers. Electronic Progress, Vol. VII (1963), Nr. 4, Seite 3...6.
  9. [9] PhiJippi, A.: Ammoniak und Rubin. Elektronik 12 (1963), Nr. 3, Seite 65.
  10. [10] Aschmoneit, E.-K.: Kommt der Dioden-Laser? Elektronik 12 (1963), Nr. 3, Seite 78.
  11. [11] Paananen, R. A.: Gas Phase Lasers. Electronic Progress. Vol. VII (1963), Nr. 4, S. 7...11.
  12. [12] Stabiler Gas-Laser mit kleinen Abmessungen. Elektronische Rdsch. 17 (1963), Nr. 4, S. 185...186.
  13. [13] Stößer, W.: Weitverkehrsnachrichtenübertragung über künstliche Erdsatelliten. Elektronische Rdsch. 18 (1964), Nr. 2, Seite 67 ... 70.
  14. [14] Holzwarth, H.: Neue Verstärkungsprinzipien für die Nachrichtentechnik. Elektrotechn. Zeitschr., Ausg. A, Band 83 (1962), Heft 26.
  15. [15] Früngel und Patzke H.G. • Laser für die Werkstoffbearbeitung - VDI-Z. 106 (1964), Nr. 18, Seite 787...791.

.

Ein Blick in das Heft
FUNKSCHAU 1966, Heft 8 - Laser in der Praxis

.

Editorial von Karl Tetzner

In Heft 07/1966 der FUNKSCHAU begann die Beitragsreihe "Einführung in die Lasertechnik".

Wir bringen sie, weil sich der Laser in erstaunlich kurzer Zeit zu einem wichtigen Instrument für Forscher und Praktiker entwickelte. Immerhin ist es erst sechs Jahre her, daB man das 1954 entdeckte Maserprinzip (Mikrowellen) auf den Lichtwellenbereich übertrug und mit dieser Lasertechnik eine faszinierende Entwicklung einleitete, deren Ergebnisse weniger denn je abzusehen sind.

Laser und seine Technik befinden sich, was wegen der Kürze der Zeit verständlich ist, noch in dem Stadium zwischen Forschung / Entwicklung und Anwendung.
.

367 Organisationen arbeiten am Laser

Im Vorjahr beschäftigten sich, einer amerikanischen Untersuchung zufolge, 367 Organisationen in der westlichen Welt mit Arbeiten auf dem Lasergebiet. Die Bezeichnung „Organisation" steht hier nicht von ungefähr, weil der Kreis der mit Laser Befaßten vielfältig ist. 257 sind industrielle Unternehmen, 75 gehören dem Bereich der nicht auf Gewinn bedachten Forschung und Entwicklung an (Universitäten, Institute usw.), und 35 sind staatliche und militärische Stellen.

Von den 257 Industriefirmen wendeten sich immerhin schon 151 vorwiegend der kommerziellen Auswertung des Lasers durch Bau und Verkauf entsprechender Einrichtungen zu; die übrigen widmen sich der Forschung, der Entwicklung und der Applikation - und zwei sind Beratungsfirmen für Laseranwendung.

Die erwähnte amerikanische Untersuchung fand auch heraus, was man (an Geld) in der westlichen Welt für die Laserentwicklung im Vorjahr ausgegeben hat. Es waren 97 Millionen Dollar oder rund 390 Millionen DM. Die Hauptlast trugen selbstverständlich jene Unternehmen, die Laser verkaufen wollen; auf sie entfielen 53% der Gesamtsumme.

Laser, so sagen die Amerikaner, ist zwar noch ein Abenteuer, vor allem was seine wirtschaftliche Ausnutzung angeht, aber immerhin schon eine „100-Millionen-Dollar-Industrie".

Unsere Reihe Einführung in die Lasertechnik wird zum Abschluß viele Anwendungsarten aufzählen. Aber das Gebiet ist so breit geworden, daß Vollständigkeit nicht erwartet werden darf, zumal sozusagen täglich Neues hinzukommt. Natürlich haben sich die spektakulären Erwartungen der ersten Zeit abgekühlt; Laser ist wirklich nicht das Allheilmittel für oder gegen alles, was der Techniker bislang nicht schaffte.

Aber der kohärente "Lichtstrahl" ist drauf und dran, eine stille Revolution auf vielen Gebieten einzuleiten. Das gilt auch für unser Fernsehen, obwohl den ersten Überlegungen und tastenden Versuchen wohl erst sehr viel später handfeste, für jedermann sichtbare Taten folgen werden. Die Filmübertragung im Fernsehstudio mit dem Laserstrahl anstelle des flyingspot-Systems liegt nahe, und die ersten Nachrichten über die Szenenabtastung mit Laserlicht im Infraroten („Fernsehen bei Dunkelheit") wurden veröffentlicht.

Fast sensationell muten die Andeutungen an, daß man auf dem Umweg über Hologramme - das sind Fotoaufnahmen ohne Linse mit einer bisher unbekannten perspektivischen und plastischen Wirkung unter Ausnutzung der Wellenstruktur des Lichtes - zu einem plastischen Farbfernsehverfahren, selbstverständlich ohne die heute benutzte Farbbildröhre, kommen kann.

Das Fernsehbild, oft als „Fenster zur Welt" bezeichnet, bekäme dann wirklich den Charakter und einige der Eigenschaften eines Fensters zur gesendeten Szene: Die Gegenstände auf dem Schirm neuer Art zeigen sich unter einem anderen Blickwinkel, wenn der Zuschauer seinen Standort verändert oder den Kopf dreht.

Natürlich ist das noch ganz leise und entfernt gespielte Zukunftsmusik. Aber die Entwicklung des Gas-Lasers mit Dauerstrahl (CW-Laser), der also nicht impuls-förmig, sondern ständig verfügbar ist, deutet viele Möglichkeiten an, von denen eine ganze Anzahl schon verwirklicht wurden, andere sind noch im Laborzustand.

Beispielsweise hat man Licht als Informationsträger in der Datenverarbeitung noch nicht verwendet, obwohl optoelektronische Vorrichtungen manchen Vorteil versprechen. Der Laserstrahl jedoch vermag - vielleicht - einmal den optischen Computer zu realisieren. Laser als ein Hilfsmittel für das Fluchten von Abraumbaggern ist bekannt, und bald wird man Ölleitungen ebenfalls mit einem Laserstrahl als Leitlinie verlegen. Dann ist es nur noch ein Schritt für seine Verwendung beim Errichten von Hochhäusern, auf Schiffswerften und im Tunnelbau. Entfernungs- und neuerdings Geschwindigkeitsmeßgeräte mit Laser sind bekannt, ebenso Laser als Werkzeug und als Hilfsmittel in der Heilkunde.

Mit dem Laser als Träger von Nachrichten und Informationen wird schon lange experimentiert; hier gibt es allerdings Schwierigkeiten bei der Modulation des Laserstrahls mit Frequenzen von > 100 MHz und durch die Einflüsse der Atmosphäre, so daß man letztlich wieder daran erinnert wird, daß Laser nichts anderes als Licht ist.

Karl Tetzner im Frühjahr 1966

  • Anmerkung aus 2020 : Das war zwar ziemlich visionär für seine Zeit, was der Karl Tetzner da zusammengetragen hatte, aber einen Teil davon haben die Wissenschaftler bereits entwickelt.

.

.

- Werbung Dezent -
Zurück zur Startseite © 2007/2020 - Deutsches Hifi-Museum Wiesbaden - Copyright by Dipl. Ing. Gert Redlich - DSGVO - Privatsphäre - Zum Telefon der Redaktion - Zum Flohmarkt
Bitte einfach nur lächeln: Diese Seiten sind garantiert RDE / IPW zertifiziert und für Leser von 5 bis 108 Jahren freigegeben - kostenlos natürlich.

Privatsphäre : Auf unseren Seiten werden keine Informationen an google, twitter, facebook oder andere US-Konzerne weitergegeben.