Laser: Funktionsweise
Ein Laser erzeugt gebündeltes, einfarbiges Licht, das in Technik und Medizin vielfältig eingesetzt wird. In dieser Lektion lernst du die Funktionsweise eines Lasers über Besetzungsinversion und stimulierte Emission, rechnest Beispiele zu Wellenlänge und Frequenz und erfährst, warum auch schwache Laserpointer gefährlich für die Augen sein können.
- Fach: Physik
- Klasse 12
- Thema: Optik
- Dauer: 20 Min
- Niveau: Schwer
Was ist ein Laser?
Der Begriff Laser steht für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung, im Englischen Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Ein Laser erzeugt Licht, das sich in drei wichtigen Eigenschaften von gewöhnlichem Licht einer Glühlampe unterscheidet: Es ist einfarbig, stark gebündelt und kohärent.
Kohärent bedeutet, dass alle Lichtwellen des Laserstrahls exakt im Gleichtakt schwingen, also dieselbe Wellenlänge und dieselbe Phasenlage haben. Normales Licht dagegen besteht aus vielen Wellenzügen unterschiedlicher Wellenlänge, die völlig ungeordnet zueinander schwingen, weshalb es sich in alle Richtungen ausbreitet und aus vielen Farben gemischt ist.
Damit ein Laser überhaupt Licht verstärken kann, muss im Lasermedium eine sogenannte Besetzungsinversion vorliegen: Mehr Elektronen befinden sich in einem angeregten, energiereicheren Zustand als im energieärmeren Grundzustand. Nur unter dieser Bedingung kann ein einzelnes Lichtteilchen weitere Elektronen zur Aussendung von gleichartigem Licht anregen.
Wellenlänge und Frequenz des Laserlichts
Wie jede elektromagnetische Welle hängt auch Laserlicht über die Lichtgeschwindigkeit c mit seiner Wellenlänge Lambda und seiner Frequenz f zusammen: c ist gleich Lambda mal f. Da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer denselben Wert hat, bestimmt die Wellenlänge eindeutig die Frequenz des Lichts und damit auch seine Farbe.
Jedes Photon, also jedes einzelne Lichtteilchen, trägt eine bestimmte Energie, die von der Frequenz des Lichts abhängt: E ist gleich h mal f, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist. Rotes Laserlicht mit niedrigerer Frequenz trägt deshalb weniger Energie pro Photon als blaues oder ultraviolettes Laserlicht mit höherer Frequenz.
Da bei einem Laser praktisch alle Photonen dieselbe Wellenlänge und damit dieselbe Energie besitzen, lässt sich die Farbe und Energie des Laserlichts sehr genau vorhersagen. Diese Eigenschaft macht Laser für Anwendungen wertvoll, bei denen es auf eine exakt definierte Lichtfarbe oder Energiemenge ankommt, etwa in der Medizintechnik oder der Materialbearbeitung.
- c
- Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, rund 3 · 10⁸ m/s
- λ
- Wellenlänge des Laserlichts, in Meter (m)
- f
- Frequenz des Laserlichts, in Hertz (Hz)
| Größe wird verändert | Auswirkung | Grund |
|---|---|---|
| Wellenlänge Lambda verkleinert | Frequenz f steigt | c bleibt konstant, also steigt f, wenn Lambda sinkt |
| Frequenz f steigt | Photonenenergie E steigt | E ist proportional zur Frequenz f |
| Lasermedium gewechselt | andere Wellenlänge und Farbe | jedes Medium hat eigene Energieniveaus |
Beispiel 1: Frequenz eines roten Laserpointers
Ein roter Laserpointer sendet Licht mit der Wellenlänge 650 Nanometer aus. Welche Frequenz hat dieses Licht? (c = 3 · 10⁸ m/s)
Gegeben:
- λ650 nm6,5 · 10⁻⁷ m
- c3 · 10⁸ m/s
Gesucht:
fLösung:
- cλ · f
- fcλ
- f3 · 10⁸ ms / 6,5 · 10⁻⁷ m
- f ≈ 4,6 · 10¹⁴ Hz
Das rote Laserlicht schwingt mit einer Frequenz von rund 4,6 mal 10 hoch 14 Hertz, also 460 Billionen Schwingungen pro Sekunde. Diese enorme Frequenz zeigt, wie extrem schnell sich Lichtwellen im Vergleich zu Alltagsschwingungen bewegen.
Beispiel 2: Photonenenergie des Laserlichts
Wie groß ist die Energie eines einzelnen Photons des roten Laserpointers aus Beispiel 1? (h = 6,626 · 10⁻³⁴ Js)
Gegeben:
- f ≈ 4,6 · 10¹⁴ Hz
- h6,626 · 10⁻³⁴ Js
Gesucht:
ELösung:
- Eh · f
- E6,626 · 10⁻³⁴ Js · 4,6 · 10¹⁴ Hz
- E ≈ 3,05 · 10⁻¹⁹ J
Ein einzelnes Photon des roten Laserlichts trägt eine Energie von rund 3,05 mal 10 hoch minus 19 Joule, umgerechnet etwa 1,9 Elektronenvolt. Auch wenn ein Laserpointer viele Milliarden solcher Photonen pro Sekunde aussendet, ist die Energie jedes einzelnen Photons winzig.
Typische Fehler beim Thema Laser
Ein häufiger Fehler ist zu glauben, ein Laser würde Licht aus dem Nichts erzeugen und dabei Energie gewinnen. Tatsächlich muss dem Lasermedium immer zuerst Energie zugeführt werden, etwa durch eine Blitzlampe oder elektrischen Strom, um die notwendige Besetzungsinversion überhaupt herzustellen.
Ein zweiter Fehler ist, bei Rechnungen mit Wellenlängen die Einheit Nanometer nicht korrekt in Meter umzurechnen. Da 1 Nanometer gleich 10 hoch minus 9 Meter ist, führt ein vergessener Umrechnungsfaktor zu einem um mehrere Zehnerpotenzen falschen Ergebnis bei Frequenz oder Energie.
Ein dritter Fehler ist, Laserpointer für harmlos zu halten, weil ihre abgestrahlte Leistung gering erscheint. Da das Laserlicht stark gebündelt ist, konzentriert sich die gesamte Energie auf einen winzigen Punkt der Netzhaut, wodurch selbst schwache Laserpointer bleibende Augenschäden verursachen können.
Alltagsbezug und Tipps für die Klassenarbeit
Laser sind aus dem Alltag kaum wegzudenken: Der Scanner an der Supermarktkasse liest Barcodes mit einem Laserstrahl, ein CD- oder Blu-ray-Player tastet die Datenspur mit einem Laser ab, und moderne Glasfaserkabel übertragen Internetdaten als Lichtimpulse eines Lasers über hunderte Kilometer nahezu verlustfrei.
In der Medizin werden Laser zum Beispiel in der Augenheilkunde eingesetzt, um Fehlsichtigkeiten zu korrigieren, oder in der Chirurgie, um Gewebe präzise und blutungsarm zu schneiden. Auch in der Industrie schneiden und schweißen leistungsstarke Laser Metallteile mit hoher Genauigkeit.
Für die Klassenarbeit hilft es, sich die drei Kerneigenschaften des Laserlichts einzuprägen: einfarbig, gebündelt und kohärent. Merke dir außerdem die beiden Grundformeln c ist gleich Lambda mal f für die Ausbreitung und E ist gleich h mal f für die Energie eines einzelnen Photons, und erwähne bei praktischen Beispielen immer den notwendigen Augenschutz im Umgang mit Lasern.
Jetzt bist du dran
Wofür steht die Abkürzung Laser?
Noch nicht. Laser steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zu Deutsch Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Der Name beschreibt genau das physikalische Grundprinzip.
Das Wichtigste in Kürze
- Laser steht für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung, das erzeugte Licht ist einfarbig, gebündelt und kohärent.
- Eine Besetzungsinversion im Lasermedium ist die Voraussetzung dafür, dass Licht verstärkt statt nur spontan abgestrahlt wird.
- Formeln: c ist gleich Lambda mal f für die Ausbreitung des Lichts, E ist gleich h mal f für die Energie eines einzelnen Photons.
- Je kleiner die Wellenlänge, desto größer sind Frequenz und Photonenenergie des Laserlichts.
- Typischer Fehler: den notwendigen Energieaufwand für die Besetzungsinversion vergessen oder die Gefahr schwacher Laserpointer für die Augen unterschätzen.
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Häufige Fragen zu Laser: Funktionsweise
- Wie funktioniert ein Laser einfach erklärt?
- In einem Laser wird zunächst Energie zugeführt, um im Lasermedium mehr Elektronen in einen angeregten Zustand zu bringen als im Grundzustand sind, das nennt man Besetzungsinversion. Ein erstes ausgesandtes Photon regt weitere Elektronen zur Aussendung von gleichartigem Licht an, und Spiegel im Resonator verstärken dieses Licht, bis ein gebündelter Laserstrahl austritt.
- Was ist der Unterschied zwischen Laserlicht und normalem Licht?
- Laserlicht ist einfarbig, stark gebündelt und kohärent, das heißt alle Lichtwellen schwingen mit derselben Wellenlänge im Gleichtakt. Normales Licht einer Glühlampe besteht dagegen aus vielen Wellenlängen, die ungeordnet zueinander schwingen und sich in alle Richtungen ausbreiten.
- Wofür steht die Abkürzung Laser?
- Laser steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zu Deutsch Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Der Name beschreibt das Grundprinzip, mit dem in einem geeigneten Medium Licht verstärkt wird.
- In welcher Klasse lernt man den Laser in Physik?
- Das Thema Laser wird in Deutschland meist in der zwölften Klasse in der Oberstufe behandelt, oft im Rahmen der Quantenphysik nach den Themen Fotoeffekt und Atommodelle. Es verbindet Wissen über Energieniveaus in Atomen mit den Eigenschaften elektromagnetischer Wellen.
- Warum ist Laserlicht gefährlich für die Augen?
- Weil der stark gebündelte Laserstrahl seine gesamte Energie auf einen winzigen Punkt der Netzhaut konzentriert, kann selbst ein leistungsschwacher Laserpointer bleibende Schäden verursachen. Deshalb sollte man niemals direkt in einen Laserstrahl blicken oder ihn auf andere Personen richten.
- Wo wird Laser in der Technik und Medizin eingesetzt?
- Laser werden unter anderem in Barcode-Scannern, CD- und Blu-ray-Playern, Glasfaserkabeln für die Datenübertragung, in der Augenchirurgie zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten sowie beim präzisen Schneiden und Schweißen von Metall in der Industrie eingesetzt.
- Was ist der Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Energie beim Laser?
- Über die Formel E ist gleich h mal f und c ist gleich Lambda mal f gilt: Je kleiner die Wellenlänge, desto größer die Frequenz und desto größer die Energie eines einzelnen Photons. Blaues Laserlicht trägt deshalb mehr Energie pro Photon als rotes Laserlicht.
- Was ist eine Besetzungsinversion?
- Eine Besetzungsinversion beschreibt einen Zustand im Lasermedium, in dem sich mehr Elektronen im energiereicheren angeregten Zustand befinden als im energieärmeren Grundzustand. Nur unter dieser Bedingung kann stimulierte Emission überwiegen und der Laser Licht verstärken statt nur schwach spontan abzustrahlen.
Wiederhol diese Fragen später mit deinem Lernkarten-Trainer.
Das solltest du vorher können
- Fotoeffektin Arbeit
- Atommodellein Arbeit