Der Begriff Laser bezeichnet das Verfahren und das Instrument zur Erzeugung kollimierter, monochromatischer und kohärenter Lichtstrahlen durch stimulierte Strahlungsverstärkung und notwendige Rückkopplung. Grundsätzlich benötigt die Lasererzeugung drei Elemente: einen Resonator, ein Verstärkungsmedium und eine Pumpquelle.
A. Prinzip
Der Bewegungszustand eines Atoms lässt sich in verschiedene Energieniveaus unterteilen. Beim Übergang von einem hohen zu einem niedrigen Energieniveau emittiert das Atom Photonen der entsprechenden Energie (spontane Strahlung). Trifft ein Photon auf ein Energieniveausystem und wird von diesem absorbiert, bewirkt dies einen Übergang des Atoms von einem niedrigen zu einem hohen Energieniveau (angeregte Absorption). Einige der Atome, die auf höhere Energieniveaus übergegangen sind, wechseln dann auf niedrigere Energieniveaus und emittieren dabei Photonen (stimulierte Strahlung). Diese Vorgänge finden nicht isoliert, sondern oft parallel statt. Werden geeignete Bedingungen geschaffen, beispielsweise durch ein geeignetes Medium, einen Resonator oder ein ausreichend starkes externes elektrisches Feld, wird die stimulierte Strahlung so verstärkt, dass sie die stimulierte Absorption übersteigt. In der Regel werden dann Photonen emittiert, wodurch Laserlicht entsteht.
B. Klassifizierung
Je nach dem Medium, in dem der Laserstrahl erzeugt wird, lassen sich Laser in Flüssigkeitslaser, Gaslaser und Festkörperlaser unterteilen. Der heute am häufigsten verwendete Halbleiterlaser ist ein Festkörperlaser.
C. Zusammensetzung
Die meisten Laser bestehen aus drei Komponenten: Anregungssystem, Lasermaterial und optischem Resonator. Anregungssysteme erzeugen Licht, elektrische oder chemische Energie. Aktuell werden hauptsächlich Licht, Elektrizität oder chemische Reaktionen als Anregungsquellen genutzt. Lasermaterialien sind Stoffe, die Laserlicht erzeugen können, wie beispielsweise Rubine, Berylliumglas, Neongas, Halbleiter, organische Farbstoffe usw. Die Steuerung des optischen Resonators dient dazu, die Helligkeit des Laserstrahls zu erhöhen sowie Wellenlänge und Strahlrichtung anzupassen und auszuwählen.
D. Anwendung
Laser werden in vielen Bereichen eingesetzt, vor allem in der Glasfaserkommunikation, bei der Laserentfernungsmessung, beim Laserschneiden, bei Laserwaffen, Laserdiscs und so weiter.
E. Geschichte
1958 entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler Xiaoluo und Townes ein faszinierendes Phänomen: Richteten sie das Licht einer Glühbirne auf einen Seltenerdkristall, emittierten dessen Moleküle ein helles, gleichmäßiges und starkes Licht. Auf diesem Phänomen basierten sie auf dem „Laserprinzip“: Wird ein Stoff mit der gleichen Energie angeregt wie die natürliche Schwingungsfrequenz seiner Moleküle, erzeugt er dieses starke, gleichmäßige Licht – den Laser. Sie veröffentlichten dazu wichtige Arbeiten.
Nach der Veröffentlichung der Forschungsergebnisse von Sciolo und Townes schlugen Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern diverse experimentelle Ansätze vor, die jedoch erfolglos blieben. Am 15. Mai 1960 verkündete Mayman, ein Wissenschaftler am Hughes Laboratory in Kalifornien, die Entwicklung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 0,6943 Mikrometern. Dies war der erste Laser, der jemals von Menschen erzeugt wurde, und Mayman war damit der erste Wissenschaftler weltweit, der Laser in die praktische Anwendung einführte.
Am 7. Juli 1960 verkündete Mayman die Geburtsstunde des weltweit ersten Lasers. Maymans Plan sah vor, mit einer Hochleistungsblitzröhre Chromatome in einem Rubinkristall anzuregen und so eine sehr konzentrierte, dünne rote Lichtsäule zu erzeugen, die, wenn sie an einem bestimmten Punkt gezündet wird, eine höhere Temperatur als die Sonnenoberfläche erreichen kann.
Der sowjetische Wissenschaftler H. G. Basov erfand 1960 den Halbleiterlaser. Dieser besteht üblicherweise aus einer P-Schicht, einer N-Schicht und einer aktiven Schicht, die eine Doppelheterostruktur bilden. Zu seinen Eigenschaften zählen: geringe Größe, hohe Kopplungseffizienz, schnelle Ansprechzeit, Wellenlänge und Größe sind auf die Abmessungen von Glasfasern abgestimmt, er lässt sich direkt modulieren und weist eine gute Kohärenz auf.
Sechs, einige der wichtigsten Anwendungsgebiete von Lasern
F. Laserkommunikation
Die Informationsübertragung mit Licht ist heutzutage weit verbreitet. Schiffe kommunizieren beispielsweise mit Lichtern, und Ampeln verwenden die Farben Rot, Gelb und Grün. Doch all diese Übertragungsmethoden mit herkömmlichem Licht sind auf kurze Distanzen beschränkt. Um Informationen direkt über größere Entfernungen zu übertragen, kann man kein herkömmliches Licht verwenden, sondern nur Laser.
Wie wird der Laserstrahl übertragen? Wir wissen, dass Strom durch Kupferdrähte geleitet werden kann, Licht jedoch nicht durch gewöhnliche Metalldrähte. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler einen Glühfaden entwickelt, der Licht übertragen kann – die sogenannte optische Faser (kurz: Glasfaser). Optische Fasern bestehen aus speziellem Glas, sind dünner als ein menschliches Haar (üblicherweise 50 bis 150 Mikrometer) und sehr flexibel.
Tatsächlich besteht der innere Kern der Faser aus transparentem optischem Glas mit hohem Brechungsindex, während die äußere Ummantelung aus Glas oder Kunststoff mit niedrigem Brechungsindex gefertigt ist. Diese Struktur ermöglicht einerseits die Lichtbrechung entlang des inneren Kerns, ähnlich wie Wasser in einem Wasserrohr fließt oder Strom in einem Kabel weitergeleitet wird, selbst bei tausendfacher Windung. Andererseits verhindert die Ummantelung mit niedrigem Brechungsindex den Lichtverlust, vergleichbar mit einem dichten Wasserrohr oder einer nichtleitenden Isolierschicht in einem Kabel.
Die Entwicklung von Glasfasern ermöglicht zwar die Lichtübertragung, bedeutet aber nicht, dass sich damit beliebiges Licht über große Entfernungen übertragen lässt. Nur Laser mit hoher Helligkeit, reiner Farbe und guter Richtwirkung sind die ideale Lichtquelle für die Informationsübertragung. Sie werden an einem Ende der Faser eingespeist, nahezu verlustfrei wieder abgegeben. Optische Kommunikation ist daher im Wesentlichen Laserkommunikation. Sie bietet Vorteile wie hohe Kapazität, hohe Qualität, vielfältige Materialauswahl, hohe Vertraulichkeit und Langlebigkeit und wird von Wissenschaftlern als Revolution im Kommunikationsbereich und als eine der größten Errungenschaften der technologischen Entwicklung gefeiert.
Veröffentlichungsdatum: 29. Juni 2023