Montag, 19 Juli 2021 20:33

Laseranlagen: Wie funktioniert ein Laser?

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Atome sind grundsätzlich in der Lage, Licht auszusenden. Dies ist zum Beispiel immer dann der Fall, wenn diese durch Licht oder Stöße mit zusätzlicher Energie versorgt werden.

Der Energieüberschuss wird von den Teilchen nämlich abgegeben, beispielsweise, indem sie die überschüssige Energie in Form einer Lichtwelle aussenden.

Dies zeigt sich unter anderem, wenn Quecksilberatome durch einen Beschuss mit Elektronen in einer Leuchtstoffröhre mit zusätzlicher Energie ausgestattet werden. Diese geben sie zu einem späteren Zeitpunkt durch das Ausstrahlen von Licht wieder ab. Dabei findet die Abgabe des Lichts nach den Quantenphysik-Gesetzen rein zufällig statt. Bis zu der eigentlichen Entsendung ist so nicht klar, in welche Richtung das Licht abgegeben wird oder zu welchem Zeitpunkt dies geschieht. Aus diesem Grund wird der Vorgang auch als spontane Emission bezeichnet.

Laseranlagen Hersteller machen sich dagegen bei ihren Produkten die sogenannte stimulierte Emission zunutze. Wie sich diese gestaltet und wie ein Laser eigentlich funktioniert, erklärt der folgende Beitrag.

Stimulierte Emission für die Lichtverstärkung von Lasern

Ohne ein weiteres Eingreifen würde ein Atom, welches über überschüssige Energie verfügt, somit spontan nach einiger Zeit Licht aussenden. Dies sieht jedoch anders aus, wenn es durch eine Lichtwelle, welche die entsprechende Energie aufweist, beschienen wird.

Die Wahrscheinlichkeit gestaltet sich dann wesentlich höher, dass die restlichen Welleneigenschaften durch das Atom einfach kopiert werden. So strahl es Licht ab, welches sich durch den ursprünglichen Takt auszeichnet und sich außerdem in dieselbe Richtung ausbreitet. Dieser Effekt wird im Gegensatz zu der spontanen Emission als stimulierte Emission bezeichnet. Bei einem Laser sorgt genau dieser Effekt für die benötigte Lichtverstärkung. Daher steht das Akronym „Laser“ auch für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Es ist somit möglich, aus wenigen Lichtwellen unzählige Kopien zu erstellen. Allerdings ist es dafür nötig, dass die Lichtwellen stets erneut an den Atomen vorbeigeleitet werden. In einem Laser wird dies mithilfe von Spiegeln realisiert. Die Lichtwellen werden in den Spiegeln gerade so eingefangen, dass sich die einzelnen Wellen aufeinanderlegen und im gleichen Takt schwingen. Dieses Gebilde wird auch als stehende Welle bezeichnet.

Dennoch ist es natürlich nötig, die Atome kontinuierlich mit neuer Energie zu versorgen, beispielsweise in Form einer hellen Lampe. Ihre Funktion können Laser außerdem erst dann zeigen, wenn die Atome mit der überschüssigen Energie in einer größeren Anzahl vorliegen als die Exemplare ohne Energieschub. Dieser unnatürliche Zustand wird als Besetzungsinversion bezeichnet.

Grundsätzlich bedeutet dies, dass es nötig ist, den Laser ständig mit externer Energie zu versorgen, damit die Atome angeregt werden. Sie fallen stets erneut in einen niedrigen Energiezustand ab und geben an die Laserwellenzüge den Energieüberschuss ab.

Damit ein Teil des Lichts aus dem Laser entweichen kann, gestaltet sich einer der bereits erwähnten Spiegel teildurchlässig. Während der Laser so Energie verliert, gewinnt der Mensch den Laserstrahl.

Die Anwendungsbereiche von Lasern

Laser werden heutzutage unter anderem für die innovative Bearbeitung der unterschiedlichsten Materialien in der Industrie genutzt.

Wird der Laser eingesetzt, trifft sein Lichtstrahl auf die jeweilige Materialoberfläche, welche die Energie absorbiert. So erhitzt sich das Material. Die Hitzeentwicklung sorgt dafür, dass das Material entweder abgetragen wird oder vollständig verdampft.

Unter anderem wird es durch die Nutzung von Lasermaschinen so möglich, die verschiedensten Materialien zu markieren, zu schneiden oder zu gravieren.

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