Glauben Sie an Laser?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Xiaoxiao Changguang (Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

2015 ist das Internationale Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien (IYL2015). In diesem Jahr unterzeichnete und genehmigte der Exekutivrat der UNESCO auch die Entscheidung, den 16. Mai jedes Jahres zum „Internationalen Tag des Lichts“ zu erklären. Der Grund für die Wahl des 16. Mai liegt darin, dass der amerikanische Physiker Maiman am 16. Mai 1960 den ersten Laser der Menschheitsgeschichte entwickelte.

Maiman- und Rubinlaser

(Bildquelle: Wikipedia)

Was genau ist also ein Laser? Warum ist es so wichtig? Um diese beiden Fragen zu beantworten, müssen wir Ursache und Wirkung von Maimans Arbeit verstehen.

Warum leuchten Objekte?

Wir schreiben das Jahr 1912 und die Physiker hatten damals noch immer Schwierigkeiten zu verstehen, wie Atome, die Grundlage der Welt, aussehen. In diesem Jahr wurden drei Arbeiten des dänischen Physikers Bohr veröffentlicht. In diesen drei Arbeiten wandte Bohr die Quantentheorie auf Rutherfords Atommodell an und schlug das berühmte Bohr-Modell vor. Das Bohr-Modell konnte Phänomene erklären, die mit anderen damaligen Modellen nicht zu erklären waren, und sagte einige Ergebnisse voraus, die später durch Experimente bestätigt werden konnten. Daher wurde es von der wissenschaftlichen Gemeinschaft weitgehend akzeptiert.

Werfen wir einen Blick auf das Bohr-Modell . Das Bohr-Modell ist ein Planetenmodell, das heißt, die negativ geladenen Elektronen bewegen sich wie Planeten um den positiv geladenen Kern. Die Feinheit des Bohr-Modells liegt darin, dass die Umlaufbahnen dieser Elektronen nicht zufällig gewählt werden, sondern nur bestimmte Werte annehmen können.

Bohrsches Modell des Wasserstoffatoms

(Bildquelle: Wikipedia)

Das innerste Elektronenorbital wird als Grundzustand bezeichnet, das äußerste Orbital als erster angeregter Zustand, das äußerste Orbital als zweiter angeregter Zustand und so weiter. Das Bohr-Modell kann gut erklären, warum Objekte Licht aussenden. Wir können feststellen, dass die Energien der Elektronen in verschiedenen Umlaufbahnen unterschiedlich sind. Wir könnten diese Umlaufbahnen genauso gut „abflachen“, um einige Energieniveaus zu erreichen.

Energieniveaus der spontanen Emission

(Bildquelle: Wikipedia)

Aufgrund des Energieerhaltungssatzes muss ein Elektron, wenn es von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau springen möchte, die entsprechende Energie aus der Außenwelt aufnehmen. Wir nennen diesen Prozess stimulierte Absorption. Wenn ein Elektron von einem hohen Energieniveau auf ein niedriges Energieniveau fällt, wird es auf jeden Fall die entsprechende Energie freisetzen. Es stellt sich heraus, dass bei diesem Prozess ein Photon emittiert wird, das heißt, das Elektron emittiert Licht. Dieser Prozess wird daher als spontane Strahlung bezeichnet. Das Lumineszenzprinzip der in unserem Leben üblichen Lichtquellen ist die spontane Strahlung.

Leuchtstofflampe

(Bildquelle: Wikipedia)

Licht „gehorsam“ machen

Es gibt einige Probleme mit dem durch spontane Strahlung erzeugten Licht: Atome haben viele Energieniveaus, und diese Photonen können durch spontane Strahlung des ersten Energieniveaus erzeugt werden, oder sie können durch spontane Strahlung des dritten Energieniveaus erzeugt werden... Dies führt dazu, dass diese Photonen unterschiedliche Energien haben, und die Energie eines einzelnen Photons bestimmt die Frequenz des Lichts, d. h. die Frequenz des durch spontane Strahlung erzeugten Lichts ist zufällig . Ein weiterer Punkt ist, dass wir weder den Zeitpunkt der spontanen Strahlung, die Photonen erzeugt, noch die Richtung der Photonenbewegung kontrollieren können, was dazu führt, dass die Phase des durch die spontane Strahlung erzeugten Lichts zufällig ist.

Die hier erwähnte Frequenz und Phase sind beides Eigenschaften des Lichts als elektromagnetische Welle. Unter Frequenz versteht man die Geschwindigkeit der Lichtwellenschwingung, die auch die Farbe des Lichts bestimmt, das wir sehen. Unter Phase versteht man die Position, an der die Lichtwelle übertragen wird.

Licht als elektromagnetische Welle

(Bildquelle: Wikipedia)

Kurz gesagt: Das von gewöhnlichen Lichtquellen erzeugte Licht ist wie eine Menschengruppe, die sich in der U-Bahn drängt. Sie sind alt und jung, männlich und weiblich, tragen Kleidung in verschiedenen Farben, um mit der U-Bahn zu fahren, und gehen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Einige sind bereits im Zug, bei anderen werden die Fahrkarten noch kontrolliert. Dies bedeutet, dass gewöhnliche Lichtquellen zwar für die alltägliche Beleuchtung ausreichen, ihre Wirksamkeit im Bereich der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere bei der Untersuchung der Eigenschaften des Lichts, jedoch eher durchschnittlich ist.

Schließlich tauchte 1917 eine andere Möglichkeit zur Lichtemission auf: die von Einstein vorgeschlagene Theorie der stimulierten Strahlung .

Stimulierte Emission von Strahlung

(Bildquelle: Wikipedia)

Die Theorie der stimulierten Strahlung besagt Folgendes: Angenommen, es gibt ein Elektron im ersten angeregten Zustand und zu diesem Zeitpunkt trifft es ein Photon, dessen Energie genau der Differenz zwischen dem ersten angeregten Zustand und dem Grundzustand entspricht. Dann wird das Elektron im ersten angeregten Zustand zu diesem Zeitpunkt unter der Bedingung der „Verlockung“ eine spontane Strahlung ausführen und ein „haarähnliches“ Photon emittieren.

Aufgrund der Existenz dieses „Versuchsphotons“ nennen wir diesen Prozess stimulierte Strahlung. Wenn genügend hochenergetische Elektronen vorhanden sind, wird dieser Prozess fortgesetzt und schließlich entsteht eine große Gruppe „angelockter“ Photonen. Wir nennen diesen Vorgang Lichtverstärkung. Das Wichtigste ist, dass Phase und Frequenz dieser Photonen genau gleich sind. Es ist wie eine gut organisierte Armee, völlig anders als die spontane Ausstrahlung der „überfüllten U-Bahn“ oben.

Wie viele Schritte sind nötig, um einen Laser zu bauen?

Der erste Schritt besteht darin, die Teilchenzahl umzukehren.

Nachdem die Theorie der stimulierten Strahlung entwickelt worden war, fragte man sich, wie man diese Theorie nutzen könnte, um eine Lichtquelle zu schaffen, die gleichmäßiges Licht aussenden kann. Manche Leser werden vielleicht sagen: Reicht es nicht, einfach Licht dorthin zu werfen? Was ist daran so schwierig?

Leser, die solche Fragen haben, sollten auf die drei oben erwähnten Wörter **"genug"** achten und unser stimuliertes Absorptionsphänomen nicht vergessen. Wenn nicht genügend Elektronen mit hohem Energieniveau vorhanden sind, ist die Anzahl der stimulierten Strahlung geringer als die Anzahl der stimulierten Absorption. Wenn zu diesem Zeitpunkt ein Lichtstrahl eintrifft, gibt er kein Licht ab, um es zu verstärken, sondern wird durch die Elektronen im Grundzustand zur Absorption angeregt, was zu einem Lichtverlust führt.

Tatsächlich ist unter natürlichen Bedingungen die Zahl der Elektronen im Grundzustand viel größer als die Zahl der Elektronen im angeregten Zustand. Bei Raumtemperatur beispielsweise beträgt die Anzahl der Elektronen im Grundzustand in einem Zwei-Niveau-System (das heißt, einem Energieniveausystem mit nur dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand) ungefähr das 10 hoch 170-fache der Anzahl der Elektronen im angeregten Zustand!

Wenn wir also das Prinzip der stimulierten Strahlung zur Erzeugung einer Lichtquelle nutzen möchten, müssen wir zunächst das Problem lösen, die Anzahl der Teilchen mit hohem Energieniveau größer zu machen als die Anzahl der Teilchen mit niedrigem Energieniveau, also eine Teilchenzahlinversion zu erreichen.

Wie erreicht man eine Teilchenzahlinversion? Die Grundidee besteht darin, die Teilchen im Grundzustand wie bei einer Wasserpumpe in den Zustand hoher Energie zu pumpen. Das ist leichter gesagt als getan.

Wasserpumpenpartikel

(Bildquelle: Wikipedia)

Der zweite Schritt besteht darin, einen Vorgänger zu bauen.

Im Jahr 1951 fand der amerikanische Physiker Townes heraus, wie man eine Teilchenzahlumkehr in Ammoniakmolekülen erreichen kann.

Das Ammoniakmolekül ist ein Zwei-Ebenen-System. Unter normalen Umständen ist es unmöglich, eine Teilchenzahlinversion zu erreichen, da die Wahrscheinlichkeiten für stimulierte Absorption und stimulierte Strahlung gleich sind. Gleichzeitig kommt es zu spontaner Strahlung, was bedeutet, dass die Anzahl der Teilchen im hohen Energieniveau kleiner sein muss als die Anzahl der Teilchen im Grundzustand.

Townes' Methode war sehr clever. Er verwendete ein Magnetfeld, um zwischen Ammoniakmolekülen im Grundzustand und im angeregten Zustand zu unterscheiden, wählte dann die Ammoniakmoleküle im angeregten Zustand aus und brachte sie in einen Mikrowellenresonator, wodurch er in diesem Resonanzraum eine Teilchenzahlinversion erreichte. Drei Jahre später baute Townes auf der Grundlage dieser Idee den ersten „MASER“. Was ist MASER?

Der vollständige Name von MASER lautet „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, was so viel bedeutet wie „Verstärkung von Mikrowellen durch stimulierte Strahlung“. Der vollständige Name von LASER lautet „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, was „Verstärkung von Licht durch stimulierte Strahlung“ bedeutet.

Wir haben oben erwähnt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und Mikrowellen ebenfalls eine elektromagnetische Welle sind. Elektromagnetische Wellen können nach ihrer Frequenz klassifiziert werden. Die Frequenz von Mikrowellen liegt zwischen 300 MHz und 300 GHz, während die Frequenz des sichtbaren Lichts zwischen 3,9 und 7,5 mal 10 hoch 14 Hz liegt. Anhand der Namen lässt sich der Unterschied zwischen MASER und LAZER erkennen, der vor allem in den unterschiedlichen Arbeitsbändern liegt. MASER ist nur einen Schritt von LASER entfernt.

Townes und der erste MASER

(Bildquelle: Wikipedia)

Der dritte Schritt besteht darin, die drei Hauptlaserkomponenten fertigzustellen.

Die Einführung von MASER löst das Problem der Teilchenzahlinversion. In nur drei Jahren hat diese Technologie große Fortschritte gemacht. Derzeit hofft jeder, noch einen Schritt weiter zu gehen und diesen Mikrowellenverstärker in einen optischen Verstärker umzuwandeln, um die Traumlichtquelle zu schaffen, nämlich den Laser.

An dieser Stelle können wir die drei Hauptkomponenten des Lasers grob zusammenfassen: **Die erste ist die Notwendigkeit einer Substanz, die eine Teilchenzahlinversion erreichen kann, wie beispielsweise Ammoniakmoleküle, die wir als Verstärkungsmedium bezeichnen; die zweite ist eine geeignete Pumpmethode, die wir Pumpe nennen; der dritte ist der von Townes oben erwähnte Resonanzhohlraum. **Über die Rolle des Resonanzhohlraums werden wir später sprechen.

Im Jahr 1958 verfassten Townes und Schawlow gemeinsam einen theoretischen Artikel, in dem sie erstmals die Machbarkeit von Lasern theoretisch vorhersagten. Zu diesem Zeitpunkt war alles für Towns bereit, bis auf den Ostwind!

Daher weiß jeder, dass Towns dachte, er sei Zhou Yu, der sich den Wind geliehen hatte, aber unerwartet wurde er zu Cao Cao, der vom Wind getäuscht wurde. Am 16. Mai 1960 verfolgte Maiman einen anderen Ansatz und entwickelte als erster den ersten Laser in der Menschheitsgeschichte. Wenn Sie interessiert sind, können Sie die Geschichte erfahren, wie Maiman zuerst dorthin gelangte. Es ist sehr spannend und voller Wendungen. Wir konzentrieren uns hier jedoch auf seinen Rubinlaser.

Schema des Rubinlasers

(Bildquelle: Wikipedia)

Dieser Laser zeigt sehr deutlich die drei Hauptkomponenten eines Lasers. Schauen wir uns also jede einzelne der Reihe nach an.

Verstärkungsmedium: Das von Maiman gewählte Verstärkungsmedium war Rubin, ein mit Chrom dotiertes Aluminiumoxid.

Schematische Darstellung des Drei-Ebenen-Systems

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Bei diesem Verstärkungsmedium handelt es sich um ein dreistufiges System. Die Methode zur Erreichung der Teilchenzahlinversion in diesem Drei-Ebenen-System ist viel einfacher als im vorherigen Zwei-Ebenen-System. Das Drei-Ebenen-System von Ruby weist eine Besonderheit auf und wir können verstehen, wie es durch seinen Pumpprozess eine Besetzungsumkehr erreicht.

Zunächst werden die Grundzustandsteilchen durch entsprechende Anregung direkt auf das Energieniveau E3 transportiert. Zwischen dem Energieniveau E3 und dem Energieniveau E2 findet ein strahlungsloser Übergangsprozess statt, d. h., die Teilchen auf E3 gelangen durch Kollision schnell zu E2, und die reduzierte Energie wird statt in Lumineszenz in thermische Bewegungsenergie umgewandelt.

Darüber hinaus ist der E2-Zustand ein metastabiler Zustand, was bedeutet, dass das Teilchen, das vom E3-Energieniveau fällt, lange Zeit auf dem E2-Energieniveau bleiben kann. Dies entspricht der Verwendung des Energieniveaus E3 als Übergang zum Transport der Grundzustandsteilchen zu E2. Wenn dieser Prozess fortgesetzt wird, übersteigt die Anzahl der Teilchen in E2 die Anzahl der Teilchen im Grundzustand, wodurch eine Teilchenzahlinversion erreicht wird.

Tatsächlich ist die Effizienz des Rubinlasers sehr gering, nur 0,1 %. Dies wird durch das Verstärkungsmedium begrenzt, da das Drei-Niveau-System sehr viel Energie erfordert, um die Teilchen im Grundzustand in den Hochenergiezustand zu pumpen. Darüber hinaus beträgt die Wellenlänge dieses Lasers 694,3 nm, was ebenfalls durch dieses Verstärkungsmedium bestimmt wird.

Mit der Entwicklung von Lasern hat die Zahl der Verstärkungsmedien schrittweise zugenommen und umfasst nun auch Gase, Feststoffe, Flüssigkeiten, Glasfasern, Halbleiter usw. Der im Unterricht häufig verwendete Laserstift ist beispielsweise ein Halbleiterlaser. Kurz gesagt: Unabhängig davon, welche Art von Verstärkungsmedium verwendet wird, muss es eine Methode geben, um eine Umkehrung der Teilchenzahl zu erreichen.

Pumpe:

Die erste Pumplampe für Rubinlaser

(Bildquelle: Wikipedia)

Das auffälligste Merkmal von Maimans Laser ist, dass seine Pumplichtquelle eine spiralförmige Xenonlampe ist. Die Spiralform sorgt dafür, dass der Rubinstab zwischen den Lampenrohren platziert werden kann. Darüber hinaus verwendet diese Lampe zum Pumpen gepulstes Licht, das heißt, sie gibt kein kontinuierliches Licht ab, sondern es treten Stöße auf. Dies ist Maimans wichtigstes Design, das verhindert, dass kontinuierliches hochenergetisches Pumplicht den Kristall beschädigt.

Resonanzhohlraum:

Schematische Darstellung des Resonanzhohlraums

(Bildquelle: Wikipedia)

Maiman platzierte zwei Spiegel an beiden Enden des Rubinstabs und grub auf der rechten Seite ein kleines Loch, sodass das durch die stimulierte Strahlung emittierte Licht im Verstärkungsmedium hin und her pendeln und so weitere Photonen „anlocken“ konnte. Wenn eine bestimmte Intensität erreicht ist, wird der Laser aus dem kleinen Loch emittiert.

Wozu dient ein Laser?

Nachdem Maiman den Laser erfunden hatte, hielt er eine Pressekonferenz ab. Auf dieser Pressekonferenz stellte ein Reporter diese Frage. Maiman machte fünf Vorschläge:

1. Wird zur Lichtverstärkung verwendet. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Hochleistungslasern optische Verstärker verwendet, um schwächeres Licht zu verstärken.

2. Laser können zur Untersuchung von Materie verwendet werden.

3. Verwenden Sie Hochleistungslaserstrahlen für die Weltraumkommunikation.

4. Wird verwendet, um die Anzahl der Kommunikationskanäle zu erhöhen (daraus entwickelte sich später die Glasfaserkommunikation);

5. Die Fokussierung des Lichtstrahls zur Erzeugung einer ultrahohen Lichtintensität wird zum Schneiden oder Schweißen von Materialien in der Industrie, bei chirurgischen Eingriffen in der Medizin usw. verwendet.

Wir müssen Maimans ausgeprägten Sinn für wissenschaftliche Forschung bewundern. Alle seine Vorschläge wurden in der Zukunft einer nach dem anderen wahr.

Erinnern Sie sich an die Eigenschaften von Photonen, die durch stimulierte Strahlung erzeugt werden? Ihre Frequenz und Phase sind konsistent und ein Laser ist im Wesentlichen die Verstärkung von stimuliertem Strahlungslicht. Die beiden wichtigsten Eigenschaften eines Lasers sind daher eine gute Monochromatizität und eine hohe Energie . Diese beiden Eigenschaften bestimmen die Einsatzmöglichkeiten von Lasern und sind auch die beiden Richtungen der Laserentwicklung.

Gute Monochromatizität bedeutet, dass das Laserspektrum sehr schmal ist und die Eigenschaften des Lichts als Welle leicht darstellen kann, sodass wir es zum Aufzeichnen von Phaseninformationen verwenden können. Beispielsweise nutzt die 1947 vom britischen Physiker Dennis Gabor erfundene holografische Technologie im Wesentlichen die Phase des Lichts, um umfassende Informationen über ein Objekt aufzuzeichnen und so einen dreidimensionalen Fotoeffekt zu erzeugen.

Holografische Fotos können nicht nur Frontinformationen, sondern auch Seiteninformationen aufzeichnen.

(Bildquelle: Wikipedia)

Erst mit der Erfindung des Lasers wurde diese Technologie realisierbar und erhielt dafür 1971 den Nobelpreis für Physik.

Hohe Energie ist leicht zu verstehen. Wir können Laser zum Brennen von CDs, zur Förderung der Kernfusion, zum Schneiden von Materialien usw. verwenden. Wir können nicht nur kontinuierlich Hochenergielaser produzieren, sondern auch Filmverriegelungstechnologie und Chirp-Verstärkungstechnologie verwenden, um Laser mit hoher Energie, aber sehr kurzer Pulsdauer zu erhalten.

Schematische Darstellung der Impulserzeugung mittels Membranverriegelungstechnologie

(Bildquelle: Wikipedia)

Gif

Femtosekundenlaser erfreuen sich mittlerweile großer Beliebtheit. Die Dauer eines einzelnen Pulses dieses Lasers liegt nur in der Größenordnung von Femtosekunden (10 hoch -15 Sekunden). Durch die Verwendung dieses Lasers können wir Materialien präzise bearbeiten, ohne große Schäden zu verursachen, wie beispielsweise bei Operationen zur Korrektur von Myopie, bei der Veränderung der Materialoberfläche, bei der Verbesserung ihrer Korrosionsschutzeigenschaften usw.

Abschluss

2018 erhielt der Erfinder der Chirped-Amplification-Technologie zudem den Nobelpreis für Physik. Derzeit gibt es allein im Bereich Laser mehr als ein Dutzend Nobelpreise für Physik. Man kann sagen, dass der Laser eine der wichtigsten Erfindungen der Menschheit seit dem 20. Jahrhundert ist. Wenn Sie am Internationalen Tag des Lichts jemand fragt: Glauben Sie an Licht? Sie können ihn zurückfragen: Glauben Sie an Laser?