Laserprinzip

Das Prinzip von Lasern basiert auf der stimulierten Emission, einem Konzept, das Einstein erstmals im frühen 20. Jahrhundert vorschlug. Der Hauptprozess ist wie folgt:

- Elektronenübergang: Atome oder Moleküle im Arbeitsmedium gewinnen unter dem Einfluss einer Pumpquelle (wie elektrische Energie, Lichtenergie usw.) Energie, gehen von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau über und gelangen in einen angeregten Zustand. Da das hohe Energieniveau instabil ist, gehen die Atome oder Moleküle spontan auf das niedrige Energieniveau zurück und setzen dabei Photonen frei.

- Resonanzhohlraumreflexion: Diese Photonen werden innerhalb des Resonanzhohlraums hin und her reflektiert, interagieren mit anderen Atomen oder Molekülen im angeregten Zustand im Arbeitsmedium und lösen eine stärker stimulierte Emission aus. Dadurch steigt die Zahl der Photonen schlagartig an, was zu hochintensivem, stark monochromatischem und extrem gerichtetem Laserlicht führt.

Laserkomponenten

Der Laser besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: dem Arbeitsmedium, der Pumpquelle und dem Resonanzhohlraum.

- Arbeitsmedium: Dies ist die Grundlage der Lasererzeugung. Es besteht aus einem aktiven Medium, das eine Populationsinversion ermöglicht, beispielsweise Rubin, Neodymglas oder Kohlendioxidgas.

- Pumpenquelle: Versorgt das Arbeitsmedium mit Energie und induziert so eine stimulierte Emission. Zu den gängigen Methoden gehören elektrische Anregung und optische Anregung.

- Resonanzhohlraum: Bestehend aus Totalreflexionsspiegeln und teilweisen Innenreflexionsspiegeln bietet er eine Rückkopplung und eine oszillierende Umgebung für Photonen, die es ihnen ermöglicht, sich mehrmals innerhalb des Hohlraums hin und her zu bewegen, wodurch der stimulierte Emissionseffekt verstärkt wird und letztendlich eine Laserleistung erzeugt wird.

Unterschied zwischen Singlemode- und Multimode-Lasern

Der Hauptunterschied zwischen Single-Mode- und Multi-Mode-Lasern liegt in der Anzahl der Moden im Ausgangsstrahl.

- Single-Mode-Laser: Unterstützt nur einen Lichtausbreitungsmodus. Es verfügt über eine hohe Strahlqualität, gute Richtwirkung und Kohärenz, einen standardmäßigen kreisförmigen Strahlfleck und einen kleinen Divergenzwinkel. Es eignet sich für hochpräzise Anwendungen wie Laserinterferometer und Glasfaserkommunikation.

- Multimode-Laser: Unterstützt mehrere Modi der Lichtausbreitung. Es verfügt über einen großen Divergenzwinkel des Ausgangsstrahls, eine komplexe Strahlform und Intensitätsverteilung sowie eine kürzere Kohärenzlänge, aber eine hohe Ausgangsleistung. Es eignet sich für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie Materialbearbeitung und Laserbeleuchtung.

Laser – Gaußsche Strahlen

Laser werden Gaußsche Strahlen genannt, weil ihre Intensitätsverteilung über ihren Querschnitt ungefähr einer Gaußschen Funktion entspricht, was bedeutet, dass die Intensität in der Mitte hoch ist und zu den Rändern hin allmählich abnimmt und eine glockenförmige Kurve aufweist.

Diese Verteilungseigenschaft ergibt sich aus der Selbstreproduzierbarkeit des Lasers während seiner Bildung im Resonanzhohlraum; Selbst nach Beugung und Ausbreitung behält seine Intensitätsverteilung eine Gaußsche Form bei. Gaußsche Strahlen verfügen über eine hervorragende Fokussierungsleistung und Monochromatizität, wodurch die Modenkonkurrenz effektiv reduziert und die Strahlqualität verbessert wird, wodurch sie häufig in der Gestaltung optischer Systeme, der Laserbearbeitung und anderen Bereichen eingesetzt werden.

Laserklassifizierung Laser können auf viele Arten klassifiziert werden, unter anderem nach dem Arbeitsmedium:

- Festkörperlaser: Diese verwenden feste Materialien als Arbeitsmedium, beispielsweise Neodym-dotierte Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG). Diese Laser weisen typischerweise eine hohe Ausgangsleistung und gute Stabilität auf und werden häufig in der industriellen Verarbeitung, Medizin und wissenschaftlichen Forschung eingesetzt.

- Gaslaser: Diese verwenden Gase als Arbeitsmedium, beispielsweise Helium-Neon-Laser (He-Ne) und Kohlendioxid-Laser (CO2). Gaslaser finden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im sichtbaren und infraroten Spektralbereich.

- Flüssigkeitslaser: Auch Farbstofflaser genannt, nutzen organische Farbstofflösungen als Arbeitsmedium. Ihre Wellenlängenabstimmbarkeit verschafft ihnen einzigartige Vorteile in der wissenschaftlichen Forschung und Biomedizin.

- Halbleiterlaser: Diese nutzen Halbleitermaterialien als Arbeitsmedium, beispielsweise Laserdioden. Diese Laser bieten Vorteile bei der Miniaturisierung und Integration und werden häufig in der optischen Kommunikation, beim Laserdruck und in anderen Bereichen eingesetzt.

- Freie-Elektronen-Laser: Diese nutzen Hochgeschwindigkeitsstrahlen freier Elektronen als Arbeitsmedium. Sie bieten ein breites Spektrum an Ausgangsleistungen und Wellenlängen und eignen sich daher für die Hochenergiephysik und Röntgenspektroskopie.