Das Physikalische Praktikum

21.4 Grundlagen 181
Bild 21.1 zeigt ein Foto des Versuches mit Zubehör: Optische Bank mit Helium-Neon-Laser
(λ =632,8 nm), Zerstreuungslinse, Sammellinse, Objekte: Spalt, Steg, Lochblende, Doppellochblende
mit 3 verschiedenen Lochabständen, Gitter; Schrittmotor, Mattscheibe mit Fotodiode,
Gleichspannungsverstärker (0,5 mV bis 10 V), Analog-Digital-Wandler (ADC), Computer.
21.4 Grundlagen
21.4.1 Laser
Die Bezeichnung LASER steht für »Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation«.
Vom praktischen Standpunkt aus gesehen, ist der Laser einfach eine Lichtquelle, die einen eng
gebündelten, intensiven Lichtstrahl aussendet. Das Licht des Lasers ist monochromatisch und
kohärent, hat eine geringe Divergenz und ist meist polarisiert. Durch die Entstehungsgeschichte
der Laserstrahlung hat sie meist auch noch ein spezielles Intensitätsprofil (TEM - Transversal
Electromagnetic Modes). Laser gibt es in großer Vielfalt. Die Wellenlängen reichen vom infraroten
bis zum ultravioletten Bereich 1 , die Leistungen variieren von Milliwatt bis zu Peta- und
Exawatt. Bei den »klassischen« Lasern kommt der Lichtstrahl immer auf die gleiche Art und
Weise zustande: Man benutzt ein Medium (z.B. Gase, Rubinkristalle, Neodymglas, Farbstoffe),
das man mit Energie »vollpumpt«. Anschließend bringt man das Medium dazu, die gespeicherte
Energie »stimuliert« in Form von Licht wieder abzugeben. Das Licht wird dann in einem
Resonator aus Spiegeln zu einem Strahl gebündelt. Die Lichtquanten entstehen dadurch, dass
ein Atom oder Molekül von einem angeregten Zustand in einen energieärmeren Zustand »fällt«.
Die Anregungszustände können unterschiedliche Ursachen haben wie Elektronenanregung in der
Hülle, Schwingungen oder Rotationen von Molekülen. Der Praktikumsversuch verwendet einen
Helium-Neon-Gaslaser (He-Ne-Laser), um Beugungs- und Interferenzerscheinungen an einfachen
geometrischen Objekten zu erzeugen und Intensitätsverteilungen quantitativ auszumessen,
d.h. die Kohärenz und Monochromasie der Laser-Strahlung wird direkt ausgenutzt.
Absorption, spontane und induzierte Emission
Betrachtet man schematisch ein Atom mit zwei Energiezuständen E1 und E2, so kann man verschiedene
Wechselwirkungen dieses Atoms mit elektromagnetischer Strahlung (in Form von
Lichtquanten) betrachten.
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h
h
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h
Bild 21.2: Absorption, spontane und induzierte Emission.
1. Die Absorption eines Lichtquants der Energie E = hν = E2 − E1 regt das System aus dem
tieferen Energiezustand E1 in den höheren Zustand E2 an (optischer Übergang).
1 Mittlerweile auch bis in den EUV (extended ultraviolet) und XUV (x-ray ultraviolet) und sogar den Röntgenbereich
(FEL - Free Electron Laser)