Wie funktionieren Laser?

Laser Fakten, wie Laser funktionieren, Laserkomponenten, was macht einen Laser, Laser FAQTOBIAS SCHWARZ / AFP / Getty Images Laser! Natürlich sind sie großartig - aber wie funktionieren sie genau? Warum tragen wir sie nicht alle in unseren Taschen herum? Ob Sie es glauben oder nicht, Sie sind es wahrscheinlich - dank moderner Elektronik. Hier ist die Geschichte, wie ein Laser (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) funktioniert und was er tut, wenn er auf ein Objekt trifft.

Es geht nur um ElektronenGrüner Laser

Lassen Sie uns ein wenig Zeit im Physikunterricht verbringen: Ein Laser verdankt seine Existenz Elektronen, an die Sie sich vielleicht erinnern, dass es sich um jene energetischen Teilchen handelt, die um ein Atom schweben / existieren und dessen „Hülle“ bilden.

Einige Elektronen haben die Fähigkeit, Energie von externen Quellen zu absorbieren und zumindest vorübergehend in Bahnen mit höherer Energie zu springen. Die Elektronen kehren jedoch schnell zu ihren normalen Umlaufbahnen zurück und setzen die zusätzliche Energie frei, die sie verbrauchen und die sich dann außerhalb des Atoms kräuselt.

Elektronen tun dies die ganze Zeit - so wird die meiste Strahlung erzeugt! Schalten Sie eine Taschenlampe ein und es gibt eine Menge Elektronen, die überall Energieniveaus kaskadieren. Der Grund dafür, dass Ihre Taschenlampe kein starker Laserstrahl ist (sorry), ist, dass diese Elektronen nicht synchron sind. Stattdessen hüpfen sie überall hin, setzen zufällig Energie frei und haben kaum die gleiche Wellenlänge oder das gleiche Timing. Tatsächlich scheinen Elektronen in diesen Situationen ihre Wellenlängen und ihr Timing auf natürliche Weise zu zerstreuen, was zufällige Laser fast - aber nicht vollständig - unmöglich macht.

Bei der Erstellung eines Lasers müssen sich Ingenieure wie Orchesterleiter für eine unzählige Anzahl von Elektronen verhalten, damit alle Energie gewinnen und synchron freisetzen können. Wenn dies erfolgreich ist, entsteht ein kohärenter Strom von Photonen, die sich alle auf dieselbe Weise, zur selben Zeit, in dieselbe Richtung bewegen… und ein Laser wird geboren. Dies geschieht dank eines sorgfältig konstruierten Prozesses und der richtigen Materialien, über die wir im nächsten Abschnitt sprechen werden!

Anatomie eines modernen Lasers

Christian Delbert / 123rf Christian Delbert / 123rf

Laser gibt es in allen Größen, von winzigen kleinen Lasern in Mikrochips bis zu riesigen Lasern in wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen. Die meisten können jedoch in drei sehr wichtige Teile unterteilt werden, damit der Laser funktioniert.

Energiequelle: Erstens benötigen Laser eine Energiequelle (auch Pumpquellen oder Anregungsmechanismen genannt), um Energie in den Laser zu pumpen, damit seine Elektronen viel Saft zum Arbeiten haben. Es gibt verschiedene beliebte Arten von Energiequellen, darunter direkte elektrische Entladungen, chemische Reaktionen und leistungsstarke Lichtquellen wie Blitzlampen.

Medium: Auf das Medium (normalerweise als Verstärkungsmedium oder Lasermedium bezeichnet) wird die Energie geleitet. Seine Aufgabe ist es, diese Energie zu sammeln, ihre Elektronen wie verrückt herumspringen zu lassen und mächtige Lichtblitze auszusenden, die bereit sind, sich zu einem Laser zu formen. Medien decken eine breite Palette von Materialien ab: Einige sind Flüssigkeiten, einige sind Gase und einige sind kristalline Feststoffe. Sogar ein bescheidener Halbleiter kann als Lasermedium fungieren.

Optischer Hohlraum: Der optische Hohlraum oder Resonator nimmt das gesamte vom Medium abgegebene Licht auf und fokussiert es. Beim klassischen Laseraufbau werden zwei Spiegel verwendet, um das Licht hin und her zu reflektieren, um die Impulse zu synchronisieren, die Energie zu verstärken und sie in Richtung einer kleinen Öffnung zu lenken, in die der Laser gerichtet ist.

Was passiert, wenn ein Laser auf etwas trifft?

Auf dem Weg zu den nächststärkeren Lasern sollte es nur noch spannender werden.

Wenn ein Laser auf ein Material trifft, verhält er sich wie andere Strahlung: Einige werden absorbiert, andere reflektiert und andere können passieren oder übertragen werden. Das sagt jedoch nicht viel darüber aus, was ein bestimmter, fokussierter Laser tatsächlich mit dem Material macht. Schauen wir uns also einige Hauptkategorien praktischer Lasernutzungen genauer an und wie sie funktionieren.

Beleuchtung: In diesem Fall werden Laser einfach verwendet, um etwas zu beleuchten, das schwer zu sehen ist. Das ist richtig, manchmal reicht sogar die vertrauenswürdige Taschenlampe nicht aus, besonders bei sehr großen Entfernungen - oder wenn Lehrer wirklich einen Laserpointer verwenden möchten. Und ja, das kann gefährlich sein.

Reflexion: Wenn sich Laser auf Reflexion konzentrieren, übertragen sie normalerweise Informationen. Das beste Beispiel hierfür ist ein optisches Laufwerk in Blu-ray-Playern, Computern usw. Es gibt jedoch auch viele Smart-Device-Anwendungen.

Pyrolitische / photolytische Reaktion: Hier soll der Laser im Allgemeinen etwas… destruktiv verändern. Pyrolitische Versionen erhitzen ein Material, normalerweise um es zu schmelzen (und hey, manchmal zappen Vögel). Photolytische Versionen lösen chemische Bindungen innerhalb eines Materials auf, um ähnliche Ziele zu erreichen.

Übertragung: Hier ist der Laser so konzipiert, dass er einen Code weitergibt, der wertvolle Daten enthält, wie bei Glasfasern.

Zustandsänderung: Dies ist eine Art Sammelkategorie, aber in einigen Fällen besteht der Zweck des Lasers darin, das Material zu ändern oder sich selbst in eine andere Art von Energie umzuwandeln (ohne etwas zu verbrennen). In diesem Fall absorbiert das Material den Laser und erfährt dann eine interessante Transformation. Zum Beispiel wandeln einige Laser Licht in Schall um. Viele solcher Geräte haben wertvolle Anwendungen in der täglichen Technik.