Laser bezeichnet den Prozess und das Instrument zur Erzeugung kollimierter, monochromatischer, kohärenter Lichtstrahlen durch stimulierte Strahlungsverstärkung und die notwendige Rückkopplung. Grundsätzlich erfordert die Lasererzeugung drei Elemente: einen Resonator, ein Verstärkungsmedium und eine Pumpquelle.
A. Grundsatz
Der Bewegungszustand eines Atoms lässt sich in verschiedene Energieniveaus unterteilen. Wechselt das Atom von einem hohen auf ein niedriges Energieniveau, setzt es Photonen der entsprechenden Energie frei (sog. spontane Strahlung). Trifft ein Photon auf ein Energieniveausystem und wird von diesem absorbiert, bewirkt dies einen Übergang des Atoms von einem niedrigen auf ein hohes Energieniveau (sog. angeregte Absorption). Einige der Atome, die auf ein höheres Energieniveau wechseln, wechseln dann auf ein niedrigeres Energieniveau und emittieren Photonen (sog. stimulierte Strahlung). Diese Bewegungen laufen nicht isoliert ab, sondern oft parallel. Schaffen wir entsprechende Bedingungen, etwa durch ein geeignetes Medium, einen Resonator oder ein ausreichend großes externes elektrisches Feld, wird die stimulierte Strahlung so verstärkt, dass sie die stimulierte Absorption übersteigt. In der Regel werden dann Photonen emittiert, was zu Laserlicht führt.
B. Klassifizierung
Je nach Medium, das den Laser erzeugt, kann der Laser in Flüssigkeitslaser, Gaslaser und Festkörperlaser unterteilt werden. Der heute am häufigsten verwendete Halbleiterlaser ist eine Art Festkörperlaser.
C. Zusammensetzung
Die meisten Laser bestehen aus drei Teilen: Anregungssystem, Lasermaterial und optischem Resonator. Anregungssysteme sind Geräte, die Licht, elektrische oder chemische Energie erzeugen. Derzeit werden hauptsächlich Licht, Elektrizität oder chemische Reaktionen als Anregungsmittel eingesetzt. Lasermaterialien sind Substanzen, die Laserlicht erzeugen können, wie beispielsweise Rubine, Berylliumglas, Neongas, Halbleiter, organische Farbstoffe usw. Die Aufgabe der optischen Resonanzregelung besteht darin, die Helligkeit des Ausgangslasers zu erhöhen und Wellenlänge und Richtung des Lasers anzupassen und auszuwählen.
D. Anwendung
Laser werden häufig eingesetzt, vor allem in der Glasfaserkommunikation, bei der Laserentfernungsmessung, beim Laserschneiden, in Laserwaffen, auf Laserscheiben usw.
E. Geschichte
1958 entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler Xiaoluo und Townes ein magisches Phänomen: Richteten sie das Licht einer Glühbirne auf einen Seltenerdkristall, strahlten dessen Moleküle helles, stets gleichmäßiges, starkes Licht aus. Basierend auf diesem Phänomen schlugen sie das „Laserprinzip“ vor: Wird die Substanz mit der gleichen Energie wie die natürliche Schwingungsfrequenz ihrer Moleküle angeregt, erzeugt sie dieses starke, nicht divergierende Licht – einen Laser. Sie veröffentlichten dazu wichtige Arbeiten.
Nach der Veröffentlichung der Forschungsergebnisse von Sciolo und Townes schlugen Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern verschiedene experimentelle Ansätze vor, die jedoch erfolglos blieben. Am 15. Mai 1960 gab Mayman, ein Wissenschaftler am Hughes Laboratory in Kalifornien, bekannt, dass er einen Laser mit einer Wellenlänge von 0,6943 Mikrometern entwickelt habe. Es handelte sich um den ersten Laser, den Menschen jemals entwickelt hatten. Damit war Mayman der erste Wissenschaftler weltweit, der Laser in die Praxis umsetzte.
Am 7. Juli 1960 verkündete Mayman die Geburt des ersten Lasers der Welt. Maymans Konzept besteht darin, mithilfe einer Blitzröhre mit hoher Intensität Chromatome in einem Rubinkristall zu stimulieren und so eine sehr konzentrierte, dünne rote Lichtsäule zu erzeugen. Wenn sie an einem bestimmten Punkt gezündet wird, kann sie eine höhere Temperatur als die Sonnenoberfläche erreichen.
Der sowjetische Wissenschaftler H. G. Basov erfand 1960 den Halbleiterlaser. Die Struktur eines Halbleiterlasers besteht üblicherweise aus einer p-Schicht, einer n-Schicht und einer aktiven Schicht, die eine doppelte Heteroverbindung bilden. Seine Eigenschaften sind: geringe Größe, hohe Kopplungseffizienz, schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, Wellenlänge und Größe passen zur Glasfasergröße, sind direkt modulierbar und weisen eine gute Kohärenz auf.
Sechs, einige der wichtigsten Anwendungsrichtungen des Lasers
F. Laserkommunikation
Die Verwendung von Licht zur Informationsübertragung ist heute weit verbreitet. Schiffe kommunizieren beispielsweise mit Licht, und Ampeln nutzen die Farben Rot, Gelb und Grün. Doch all diese Möglichkeiten der Informationsübertragung mit normalem Licht sind nur auf kurze Distanzen beschränkt. Um Informationen direkt per Licht an weit entfernte Orte zu übertragen, ist kein normales Licht, sondern nur der Einsatz von Lasern möglich.
Wie wird der Laser übertragen? Wir wissen, dass Elektrizität über Kupferdrähte übertragen werden kann, Licht jedoch nicht über gewöhnliche Metalldrähte. Wissenschaftler haben daher einen Glühfaden entwickelt, der Licht übertragen kann, die sogenannte Glasfaser. Glasfasern bestehen aus speziellen Glasmaterialien, sind dünner als ein menschliches Haar (in der Regel 50 bis 150 Mikrometer) und sehr weich.
Tatsächlich besteht der innere Kern der Faser aus transparentem optischem Glas mit hohem Brechungsindex, während die äußere Beschichtung aus Glas oder Kunststoff mit niedrigem Brechungsindex besteht. Eine solche Struktur kann einerseits dazu führen, dass das Licht entlang des inneren Kerns gebrochen wird, genau wie Wasser, das in einer Wasserleitung vorwärts fließt, und Strom im Kabel weitergeleitet wird, selbst wenn Tausende von Drehungen und Wendungen wirkungslos bleiben. Andererseits kann die Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex Lichtaustritt verhindern, genau wie Wasserleitungen nicht sickern und die Isolierschicht des Kabels keinen Strom leitet.
Das Aufkommen von Glasfasern ermöglicht zwar eine neue Art der Lichtübertragung, bedeutet aber nicht, dass damit jedes Licht über große Entfernungen übertragen werden kann. Nur ein Laser mit hoher Helligkeit, reiner Farbe und guter Richtwirkung ist die ideale Lichtquelle für die Informationsübertragung. Er wird an einem Ende der Faser nahezu verlustfrei eingespeist und am anderen Ende wieder ausgegeben. Optische Kommunikation ist daher im Wesentlichen Laserkommunikation. Sie bietet die Vorteile großer Kapazität, hoher Qualität, vielfältiger Materialauswahl, hoher Vertraulichkeit und Langlebigkeit. Wissenschaftler loben sie als Revolution in der Kommunikation und stellen eine der größten Errungenschaften der technologischen Revolution dar.
Veröffentlichungszeit: 29. Juni 2023