Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission, kurz Laser, ist ein Gerät, das durch den Prozess der stimulierten Emission elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Frequenz erzeugt und verstärkt. Beim Laser haben alle Lichtstrahlen die gleiche Wellenlänge und sind kohärent; Sie können weite Strecken zurücklegen, ohne sich zu verbreiten.
Um zu verstehen, wie Laser funktionieren, müssen wir verstehen, wie ein Atom Licht aussendet. Ein Atom ist das kleinste Teilchen der Welt und enthält Elektronen. Durch die Einführung zusätzlicher Photonen in das Atom werden die Elektronen gezwungen, auf ein höheres Energieniveau zu gelangen, und das Atom befindet sich nun in einem angeregten Zustand. Allerdings ist das angeregte Atom instabil und die Elektronen versuchen stets, in ihren Grundzustand zurückzukehren und geben daher die überschüssige Energie, die sie ursprünglich gewonnen haben, als Photon der Lichtstrahlung ab. Dieser Vorgang wird als spontane Emission bezeichnet, wie in der Abbildung unten dargestellt. 1.
Der Laser enthält eine Kammer, in der Atome eines Mediums angeregt werden und ihre Elektronen auf höhere Bahnen mit höheren Energiezuständen bringen. Wenn eines dieser Elektronen in einen niedrigeren Energiezustand abfällt, gibt es seine zusätzliche Energie als Photon mit einer bestimmten Frequenz ab. Durch die Einführung weiterer Photonen in das System treffen die Photonen schließlich auf ein anderes Atom mit einem angeregten Elektron, was dieses Elektron dazu anregt, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren und zwei oder mehr Photonen mit derselben Frequenz wie das erste und in Phase mit diesem auszusenden . Dieser Effekt breitet sich kaskadenartig durch die Kammer aus und regt ständig andere Atome dazu an, noch kohärentere Photonen zu emittieren. Dieser Vorgang wird als stimulierte Emissionen bezeichnet. Mit anderen Worten: Das Licht wurde verstärkt, wie unten in Abbildung 2 dargestellt
Darüber hinaus bewirken Spiegel an beiden Enden der Kammer, dass das Licht über das Medium hin und her reflektiert wird. Einer der Spiegel ist teilweise transparent, sodass der Laserstrahl an diesem Ende der Kammer austreten kann. Indem eine ausreichende Anzahl von Atomen im Medium durch eine externe Energiequelle im höheren Energiezustand gehalten wird, werden die Emissionen kontinuierlich stimuliert, und dieser Prozess wird als Populationsinversion bezeichnet. Letztendlich entsteht ein Strom kohärenter Photonen, bei dem es sich um einen sehr konzentrierten Strahl starken Laserlichts handelt. Laser haben viele industrielle, militärische und wissenschaftliche Einsatzmöglichkeiten, darunter Schweißen, Zielerkennung, mikroskopische Fotografie, Faseroptik, Chirurgie usw.
Lasertypen:
Es gibt viele verschiedene Lasertypen. Im Folgenden sind die fünf Haupttypen aufgeführt.
1. Gaslaser – z.B. HeNe-Gaslaser und CO2-Laser, die Hunderte Watt Leistung abgeben. Sie werden üblicherweise zum Schneiden und Schweißen in der Industrie eingesetzt.
2. Chemische Laser – angetrieben durch eine chemische Reaktion, die große Energiemengen, hauptsächlich für militärische Zwecke und mit sehr hoher Wellenlänge, ermöglicht. Ex. Fluorwasserstofflaser 2700 nm.
3. Festkörperlaser – optisch gepumpt durch Verwendung eines festen Mediums, das dotiert ist, wie z. B. ionendotierter Kristall oder Glas. Ein Beispiel wäre ein Laserpointer.
4. Faserlaser – Licht wird durch interne Reflexion in der optischen Faser geleitet. Sie sind heute weithin bekannt für ihre hohe Ausgangsleistung und hohe optische Qualität sowie lange Lebensdauer. Der Grund liegt in den Eigenschaften der Fasern, die ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bieten, was eine effiziente Kühlung bei der Unterstützung von Kilowatt kontinuierlicher Ausgangsleistung ermöglicht. Die wellenleitenden Eigenschaften der Glasfaser tragen dazu bei, die Signalstärke aufrechtzuerhalten und Verzerrungen zu minimieren. Faserlaser werden heutzutage häufig für die Telekommunikation eingesetzt, die sich über mehrere Kilometer lange Regionen erstreckt.
5. Halbleiterlaser – elektrisch gepumpt
a) Leuchtdioden (LEDs) – In einer Diode, die aus einem Halbleiter mit direkter Bandlücke wie Galliumarsenid besteht, emittieren Ladungsträger, die den Übergang überqueren, Photonen, wenn sie mit dem Mehrheitsträger auf der anderen Seite rekombinieren. Je nach Material können Wellenlängen (oder Farben) vom Infrarot bis zum nahen Ultraviolett erzeugt werden. Alle LEDs erzeugen inkohärentes Licht mit schmalem Spektrum. LEDs können auch als Fotodioden mit geringem Wirkungsgrad in Signalanwendungen eingesetzt werden. Eine LED kann mit einer Fotodiode oder einem Fototransistor im selben Gehäuse gepaart werden, um einen Optoisolator zu bilden.
b) Laserdioden – Wenn eine LED-ähnliche Struktur in einem Resonanzhohlraum enthalten ist, der durch Polieren der parallelen Endflächen gebildet wird, kann ein Laser gebildet werden. Laserdioden werden üblicherweise in optischen Speichergeräten und für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation verwendet.
Eine Laserdiode ist ein Laser, bei dem das Medium ein Halbleiter ist, der durch einen pn-Übergang gebildet wird, wie in Abb. 3 dargestellt, und der mit elektrischem Strom betrieben wird. Informationen zu verschiedenen Arten von Laserdiodenstrukturen finden Sie in Anhang 3. Im Grunde ist eine Laserdiode eine Kombination aus einem Halbleiterchip, der kohärentes Licht emittiert, und einem Monitor-Fotodiodenchip zur Rückkopplungssteuerung der Leistungsabgabe in einem hermetisch verpackten und versiegelten Gehäuse.
Die Halbleitermaterialien, die heute zur Herstellung lichtemittierender PN-Übergangsdioden verwendet werden, sind: Galliumarsenid, Indiumphosphid, Galliumantimonid und Galliumnitrid. Der Grund, warum diese verwendet werden, sind die drei bis fünf Verbindungseigenschaften im chemischen Periodensystem. Die Materialien müssen stark dotiert sein, um P-N-Regionen zu erzeugen, was andere ausschließt und die Gruppen drei bis fünf die idealen Optionen bleiben.
Ihre Wellenlängen können durch Änderung des Zusammensetzungsverhältnisses angepasst werden. Beispielsweise kann die Wellenlänge des vom InP-Substrat erzeugten Laserstrahls erhöht werden, indem der Indiumgehalt erhöht oder der Phosphatgehalt verringert wird. Eine längere Wellenlänge weist normalerweise auf eine längere Reisedistanz hin.
Laut Wikipedia sind Laserdioden zahlenmäßig der am weitesten verbreitete Lasertyp. Im Jahr 2004 wurden etwa 733 Millionen Diodenlaser verkauft, im Vergleich zu 131,{3}} anderen Lasertypen. Laserdioden finden in der Telekommunikation breite Anwendung als leicht modulierbare und einfach zu koppelnde Lichtquellen für die Glasfaserkommunikation.
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