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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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 Raphael Dörck Verfasst am: 05. Nov 2015 21:08 Titel: Laser Funktionsweise - Energieniveaus |
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Meine Frage:
Hallo!
Ich habe mehrere Fragen zum Thema "Funktionsweise eines Lasers" zu denen ich im Internet keine Antworten finden konnte:
1. Warum werden die Photonen aus dem aktiven Medium genau senkrecht zu den Spiegeln abgelenkt, bzw. wie kann man sicher gehen, dass es der erste tut der die Kettenreaktion mit sich zieht? Und warum schwingen die Wellen im Gleichtakt? (Soweit ich verstanden habe müssen sich die Wellen so addieren, dass Maxima auf Maxima trifft.)
Außerdem: warum haben alle Wellen dieselbe Wellenlänge? Woher weiß man dass sie im selben energetischen Zustand sind und dieselbe Energiemenge loswerden?
Eine ähnliche Frage wäre sicherlich wie kann man die Farbe des Lasers verändern? (Und warum ist sie dann anders?
Ich habe zudem gesehen, dass bei der stimulierten Emission das Photon ein hohes Energieniveau erreicht (mehr als E1) und dann ohne Emission ein Niveau herunter springt, und dann erst von einem äußeren Photon mitgerissen wird. Wie kann es sein, dass es also ohne Energie loszuwerden dem Atomkern näher kommt?
Eine sehr grundlegende Frage:
Warum könnte man nicht einfach eine Glühbirne zwischen zwei parallele Spiegel stellen und so einen Laser herstellen?
Ich hoffe wirklich hier Antworten zu finden,
Viele Grüße,
Raphael Dörck aus Kehl
Meine Ideen:
Ich habe meine Ansätze bereits in die Fragen geschrieben, ich weiß also dass durch Pumpdioden Energie in das aktive Medium hinzugefügt wird, die die Atome darin in ein höheres Energieniveau bringen, und dass die Photonen eine Photonen Lawine auslösen. Alle Erklärungsseiten gehen leider nicht genauer darauf ein...
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 05. Nov 2015 21:30 Titel: Re: Laser Funktionsweise - Energieniveaus (komplizierte Frag |
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| Raphael Dörck hat Folgendes geschrieben: |
1. Warum werden die Photonen aus dem aktiven Medium genau senkrecht zu den Spiegeln abgelenkt, bzw. wie kann man sicher gehen, dass es der erste tut der die Kettenreaktion mit sich zieht?
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In der Realität muss man keine ebenen Spiegel benutzen. Vermutlich funktioniert es trotzdem, weil man die Verluste auch dann klein genug halten kann, aber konkave Spiegel sind wahrscheinlich eine bessere Wahl.
| Zitat: | Und warum schwingen die Wellen im Gleichtakt? (Soweit ich verstanden habe müssen sich die Wellen so addieren, dass Maxima auf Maxima trifft.)
Außerdem: warum haben alle Wellen dieselbe Wellenlänge? Woher weiß man dass sie im selben energetischen Zustand sind und dieselbe Energiemenge loswerden?
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Diese drei Tatsachen sind alle notwendige Folgen der stimulierten Emission.
https://de.wikipedia.org/wiki/Stimulierte_Emission
PS: Anders kann ein Laser gar nicht funktionieren. Sprich: Wenn es diesen quantenmechanischen Effekt der stimulierten Emission nicht geben würde, gäbe es keine Laser.
| Zitat: |
Eine ähnliche Frage wäre sicherlich wie kann man die Farbe des Lasers verändern? (Und warum ist sie dann anders?
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Indem man andere Materialien benutzt, in denen die Elektronen andere Energieniveaus (entsprechend der gewünschten Farbe) haben können.
| Zitat: |
Ich habe zudem gesehen, dass bei der stimulierten Emission das Photon ein hohes Energieniveau erreicht (mehr als E1) und dann ohne Emission ein Niveau herunter springt, und dann erst von einem äußeren Photon mitgerissen wird. Wie kann es sein, dass es also ohne Energie loszuwerden dem Atomkern näher kommt?
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1. Das müsste Elektron heissen.
(2. "dem Atomkern näher kommen" ist keine gute Formulierung, da dies nicht wirklich richtig ist.)
Das Elektron wird seine Energie los, um auf das niedrigere Energieniveau zu gelangen, aber nicht durch Emission eines Photons, sondern durch Stöße des Atoms mit anderen Atomen (für einen Gas-Laser) oder über Gitterschwingungen, sogenannte Photonen (für Festkörper-Laser).
| Zitat: |
Warum könnte man nicht einfach eine Glühbirne zwischen zwei parallele Spiegel stellen und so einen Laser herstellen?
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Weil man ein Material braucht, das eine Besetzungsinversion zulässt, ansonsten kann es nicht zur Verstärkung des Lichts durch stimulierte Emission kommen (deswegen gibt es keine Zwei-Niveau-Laser).
https://de.wikipedia.org/wiki/Besetzungsinversion
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bassiks
Anmeldungsdatum: 11.08.2010
Beiträge: 194
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| bassiks Verfasst am: 06. Nov 2015 08:28 Titel: |
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| Zitat: | | ...über Gitterschwingungen, sogenannte Photonen (für Festkörper-Laser). |
Das müsste Phononen heißen ^^.
| Zitat: | | ... (deswegen gibt es keine Zwei-Niveau-Laser). |
Doch. Beispiel: Wasserstoff Maser. Die Besetzungsinversion wird durch "Selektion" erreicht.
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 06. Nov 2015 09:07 Titel: |
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| bassiks hat Folgendes geschrieben: | | Zitat: | | ...über Gitterschwingungen, sogenannte Photonen (für Festkörper-Laser). |
Das müsste Phononen heißen ^^.
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Danke. Sch**** Autokorrektur. Da kennt sie mal ein physikalischen Begriff und benutzt ihn dann mal gleich an falscher Stelle 
| Zitat: |
| Zitat: | | ... (deswegen gibt es keine Zwei-Niveau-Laser). |
Doch. Beispiel: Wasserstoff Maser. Die Besetzungsinversion wird durch "Selektion" erreicht. |
eh... von mir aus ...
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 06. Nov 2015 15:46 Titel: Weitere Fragen / Unklarheiten: |
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Vielen Dank an euch beide, das hat mir sehr geholfen
Es bleiben mir aber noch ein paar Fragen:
Startet das erste Photon durch spontane Emission? Hab ich recht, wenn ich behaupte, dass die ersten Photonen in zufällige Richtungen gehen, aber nur die die perfekt senkrecht zu den Spiegeln verlaufen auch im Laser bleiben, und sich "fortpflanzen"? Die anderen verfallen dann an der Innenwand?
Warum sind außerdem die Spiegel konkav und nicht einfach flach? Das bringt doch die Photonen aus der Bahn?!
Und die letzte Frage ist mir die aller wichtigste:
Warum muss ein höheres Energieniveau erreicht werden, wenn das Elektron dann sowieso auf ein niedrigeres springt: Beide Bereiche müssten doch gleich unstabil sein... Oder warum geht die Besetzungsinversion nur bei dem Modell mit mehreren, energiereicheren Schalen? (müssten eigentlich ähnliche Fragen sein)
Ich würde mich freuen, wenn mir jemand die Idee mit den mehreren Energieniveaus erklären könnte.
Vielen Dank im Voraus,
Raphael
| Beschreibung: |
| Wie kann das Elektron in eine niedrigere Schale kommen, ohne Energie abzugeben (bzw wie und wohin gibt es sie ab). Und was bringt es, das ELektron erst in E4 steigen zu lassen, warum nicht sofort E3 ? |
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| Dateigröße: |
23.18 KB |
| Angeschaut: |
9613 mal |
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 06. Nov 2015 16:01 Titel: Re: Weitere Fragen / Unklarheiten: |
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| Raphael Dörck hat Folgendes geschrieben: |
Startet das erste Photon durch spontane Emission? Hab ich recht, wenn ich behaupte, dass die ersten Photonen in zufällige Richtungen gehen, aber nur die die perfekt senkrecht zu den Spiegeln verlaufen auch im Laser bleiben, und sich "fortpflanzen"? Die anderen verfallen dann an der Innenwand? |
Ja, im wesentlichen.
| Zitat: |
Warum sind außerdem die Spiegel konkav und nicht einfach flach? Das bringt doch die Photonen aus der Bahn?!
| Zitat: |
Nicht, wenn die konkaven Spiegel richtig angeordnet sind. Ich hab aber keine Ahnung wie man das technisch wirklich macht, da solltest Du einen Experimentalphysiker (oder Ingenieur) fragen Ich hatte nur eine ältere Arbeit gefunden, in der jemand beide Möglichkeiten (erfolgreich) ausprobiert hatte.
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Warum muss ein höheres Energieniveau erreicht werden, wenn das Elektron dann sowieso auf ein niedrigeres springt: Beide Bereiche müssten doch gleich unstabil sein... |
Nein, der Trick ist, dass das untere der beiden höheren Energieniveaus langlebiger ist, als das höchste, dadurch erreicht man erst die Besetzunginversion (wenn das nicht so wäre, würden ja die Elektronen gleich wieder ins unterste Niveau fallen, bevor sie zu stimulierter Emission angeregt werden können).
| Zitat: | | Oder warum geht die Besetzungsinversion nur bei dem Modell mit mehreren, energiereicheren Schalen? (müssten eigentlich ähnliche Fragen sein) |
Na ja, wie bassik sagte geht es im Wasserstoff Maser auch mit zweien ... da braucht man dann andere Tricks die Inversion zu erreichen (aber i.A. benötigt man in der Tat drei).
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 06. Nov 2015 16:30 Titel: |
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Ok, dass eine niedrigere Schale stabiler ist habe ich verstanden, und mittlerweile sogar, dass es durch Emission von Energie in Form von z.B. Hitze eine Schale weiter runter kommt. Aber warum nicht gleich? warum muss man erst in die hohe Schale um runter zu gehen, warum nicht direkt in die niedrigere Schale? Macht es für die Wahrscheinlichkeit von spontaner Emission einen Unterschied?
Und was bringt bei 4 Energieniveaus die unterste Schale?
Vielen Dank, Raphael
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 06. Nov 2015 16:39 Titel: |
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| Raphael Dörck hat Folgendes geschrieben: | Ok, dass eine niedrigere Schale stabiler ist habe ich verstanden, und mittlerweile sogar, dass es durch Emission von Energie in Form von z.B. Hitze eine Schale weiter runter kommt. Aber warum nicht gleich? warum muss man erst in die hohe Schale um runter zu gehen, warum nicht direkt in die niedrigere Schale? Macht es für die Wahrscheinlichkeit von spontaner Emission einen Unterschied?
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Wenn Du nur zwei Niveaus hat, dann kann das Photon, das die Anregung bewirkt, auch eine Anregung bewirken... und zwar mit gleich grosser Wahrscheinlichkeit. D.h. im Endeffekt kriegst Du keine Besetzungsinversion.
(Mit Ausnahme von anderen "Tricks" auf die bassiks hingewiesen hatte.)
| Zitat: |
Und was bringt bei 4 Energieniveaus die unterste Schale?
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Nichts prinzipielles soweit ich das sehen kann. Es ist aber eine mögliche Variante.
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 06. Nov 2015 16:51 Titel: |
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Super, jetzt habe ich den Sinn hinter den mehreren Schalen verstanden!! Danke vielmals
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 06. Nov 2015 16:58 Titel: |
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Oder doch nicht :(
Die Energie des Photons reicht doch sehr wohl aus, um ei n Elektron wieder auf das E2 Niveau zu bringen (E1 bei mir = Grundniveaus)... Was du meinst ist dass es nicht für E3 reicht, wo du auch recht hast, aber warum nicht E2? Oder habe ich nicht verstanden was du meinst?
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 06. Nov 2015 19:00 Titel: |
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| jh8979 hat Folgendes geschrieben: |
Wenn Du nur zwei Niveaus hat, dann kann das Photon, das die Anregung bewirkt, auch eine Abregung bewirken... und zwar mit gleich grosser Wahrscheinlichkeit. D.h. im Endeffekt kriegst Du keine Besetzungsinversion.
(Mit Ausnahme von anderen "Tricks" auf die bassiks hingewiesen hatte.)
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Meine Autokorrektur hat wieder unbemerkt zugeschlagen. Diesmal sehr sinnentfremdend. Hoffe jetzt ist es klarer
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 06. Nov 2015 20:03 Titel: |
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Also der Rechtschreibfehler ist mir schon aufgefallen - aber die Frage bleibt (Ich hatte es schon so gelesen wie du es gemeint hast)
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 06. Nov 2015 20:05 Titel: |
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Ok. Das ist schonmal gut. Aber dann versteh ich Deine Frage leider nicht Kannst Du sie vllt nochmal (länger) umformulieren?
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 06. Nov 2015 20:13 Titel: |
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Ok, gerne
Du bist der Meinung man müsse das Elektron auf die E3 Schale bringen, um es dann auf die E2 Schale fallen zu lassen, damit die freiwerdende Energie bei der stimulierten Emission nicht reicht, um ein anderes Elektron anzuregen. Ich verstehe, dass es kein Elektron auf E3 anregen kann, aber doch immer noch eines auf E2, da es genau diese Energie hat, oder? Also warum muss man den Umweg über E3 gehen?
Danke für deine Geduld
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 06. Nov 2015 20:51 Titel: |
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Um in Deinem Bild oben zu bleiben (wo vier Schalen sind):
Man pumpt die Elektronen von E1 auf E4. Wäre dies das einzige Level, würden Hochpumpen und Runterfallen sich die Waage halten. Aber da die Elektronen von E4 auf E3 fallen, konenen die E3-Elektronene nicht durch die "Pump-Photonen" abgeregt werden, also entsteht ein Überschuss an E3-Elektronen.Der Übergang E3-E2 wird dann für den Laser benutzt. (Und am Ende geschieht ein -prinzipiell unwichtiger- E2->E1-Uebergang).
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 06. Nov 2015 22:47 Titel: |
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Wie können denn Pump-Photone sowohl auf- als auch abpumpen?
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 07. Nov 2015 09:25 Titel: |
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| Raphael Dörck hat Folgendes geschrieben: | | Wie können denn Pump-Photone sowohl auf- als auch abpumpen? |
Stimulierte Emission. Wenn es nur ein unteres und ein oberes Level gibt, ist dies der Fall und es kommt zu keiner Besetzungsinversion.
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 07. Nov 2015 11:22 Titel: |
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Du meinst also, dass das Pumpen bzw. das Licht beim optischen Pumpen sowohl bei Elektronen Energie hinzufügen können als auch entladen können?! Es soll also negativ geladenes Pumplicht geben, wie auch positiv geladenes, und das wenn eines von jedem auf ein Elektron trifft es auf- aber sofort auch wieder abgeladen wird? Das ist ja für mich mal was ganz neues O_o
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Raphael Dörck
Anmeldungsdatum: 05.11.2015
Beiträge: 10
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| Raphael Dörck Verfasst am: 17. Jan 2016 22:32 Titel: Alles klar |
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Jetzt habe ich alles verstanden. Und ich sehe natürlich auch was du gemeint hast als ich die Diskussion erneut gelesen habe. Vielen Dank!
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