Erklärung
/ Hintergrund:
LASER steht für den Begriff „Light
Amplification by Stimulated Emission
of Radiation“, zu Deutsch: „Lichtverstärkung
durch stimulierte Strahlungsemission“. Man bezeichnet mit
diesem Begriff eine monochromatische Lichtquelle, deren Licht sich
stark gebündelt, nahezu parallel ausbreitet. Durch diesen Umstand
ist ein Laserstrahl sehr energiereich.
Nähere
Informationen über die allgemeine Funktionsweise mit Theoretischem
Hintergrund findet man unter:
http://theory.gsi.de/~vanhees/faq/laser:
Theoretischer Hintergrund
http://www.krref.krefeld.schulen.net/referate/physik/r0027t00.htm:
Einfache Einführung, Verwendung
http://science.howstuffworks.com/laser.htm:(engl.)
Funktionsweise, Klassifikation, Laser-Typen
Der
Stickstoff-Laser ist ein Molekülgas-Laser, der im
Pulsbetrieb ultraviolettes Laserlicht mit einer Wellenlänge
von 337,1 nm und einer Leistung von bis zu 0.1 mW erzeugt.
Kommerzielle
Stickstofflaser arbeiten üblicherweise mit nachgereinigtem
Stickstoff (99,995 %) bei ca. 100 Torr, während für das
Demonstrationsmodell einfach der Luftstickstoff bei Normaldruck
verwendet werden kann, der ja bekanntlich zu ca. 78 % in der Luft
enthalten ist.
Ein
Stickstofflaser arbeitet nach dem Prinzip eines 3-Niveau
Lasers. Wird ein Elektron, das sich um den Atomkern bewegt,
von einem Photon (Lichtteilchen) getroffen, so kann das Photon absorbiert
und das Elektron auf ein höheres Energieniveau gebracht werden.
Dies geschieht jedoch nur, wenn das Photon einen Energiebetrag besitzt,
der genau dem Unterschied zwischen dem Grundniveau E1,
auf dem sich das Elektron befindet, und dem höheren Energieniveau
E2 entspricht. Aus diesem angeregten Zustand wird das
Elektron nach einer bestimmten Zeit ohne äußere Einwirkung
wieder in ein tiefer liegendes Energieniveau zurückfallen.
Die Energiedifferenz wird durch die Abgabe eines Photons, dessen
Energiebetrag eben dieser Energiedifferenz E2 - E1
entspricht.
Trifft
ein Photon ein bereits angeregtes Elektron, so fällt das Elektron
ebenfalls auf ein niedrigeres Energieniveau zurück und sendet
ein zweites Photon von genau der gleichen Wellenlänge und Phase
wie das induzierende Photon aus. Die Strahlung wurde also verstärkt.
Dieser Vorgang wird als induzierte Emission bezeichnet.
Die bei der induzierten Emission freigesetzte Strahlung besitzt
eine einheitliche Wellenlänge und Phase, es handelt sich also
um kohärente Strahlung.
In
einem Laser werden nun durch das sogenannte "Pumpen"
Elektronen in einem Medium auf ein höheres Energieniveau
gebracht. Es müssen sich mehr Elektronen im angeregten Zustand
befinden als im unangeregten. Diesen Zustand nennt man Besetzungsinversion.
Die
bei dem oberen Übergang (E3 - E2) freigesetzte
Energie wird hauptsächlich in Form von Wärme, seltener
auch in Form von Sekundärstrahlung, abgegeben. Erst beim Übergang
vom zweiten Niveau zum Grundniveau wird dann durch induzierte Emission
die erwünschte Strahlung frei.
Energiediagramm
des Stickstofflasers
Durch
eine starke elektrische Entladung zwischen zwei
als Schneiden ausgebildeten Elektroden werden die Stickstoffatome
aktiviert. Diese Gasentladung wandert im Idealfall an den Schneiden
entlang. Der Laserpuls breitet sich parallel zu den Schneiden aus.
Das geschieht deshalb, weil auf dieser Achse für ein Photon
die Wahrscheinlichkeit, auf ein angeregtes Atom zu treffen, am größten
ist. Die Ausbreitungsrichtung des Strahls ist dadurch vorgegeben,
dass an der Stelle der größten Divergenz auch die meisten
Stickstoffatome zwischen den Schneiden vorhanden sind, und so hier
wiederum die Wahrscheinlichkeit, angeregte Atome zu finden, am größten
ist.
|