Molekulare Expressions Mikroskopie …

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Einführung in die Laser

In der populären Science-Fiction-Filme in den 1950er Jahren, Monster wurden oft dargestellt, die tödliche Lichtstrahlen aus den Augen (Abbildung 1), aber bis zur Erfindung des Lasers, so konzentrierte und leistungsfähige Energiestrahlen waren nur Fantasie emittieren könnte. Jetzt ist es möglich, zu modifizieren, Sonde oder zerstören Materie die stark fokussierte Strahlung von Energiequellen bekannt als Laser. Fast alle Licht, das wir in unserem täglichen Leben zu sehen, die von der Sonne, Sterne, Glüh- und Leuchtstofflampen, in unseren Fernsehgeräte auch, erfolgt spontan, wenn Atome und Moleküle zu befreien sich von überschüssiger Energie.

Gewöhnliche natürlichem und künstlichem Licht wird von Energieänderungen auf atomarer und molekularer Ebene freigegeben, die ohne Intervention von außen auftreten. Eine zweite Art von Licht existiert, aber, und tritt auf, wenn ein Atom oder Molekül seine überschüssige Energie zurückhält, bis stimuliert die Energie in Form von Licht zu emittieren. Laser werden entwickelt, um diese stimuliert Form von Licht in intensive und fokussierte Strahlen zu erzeugen und zu verstärken. Das Wort Laser wurde als Akronym für geprägt L ight EIN mplification durch die S timulated E Mission R adiation. Die besondere Art von Laserlicht hat Lasertechnologie ein wichtiges Instrument in nahezu jeden Aspekt des täglichen Lebens, einschließlich Kommunikation, Unterhaltung, Fertigung und Medizin gemacht.

Albert Einstein haben versehentlich den ersten Schritt in der Laserentwicklung genommen durch realisieren, dass zwei Arten von Emissionen möglich sind. In einem Artikel im Jahre 1917 veröffentlicht wurde, war er der erste die Existenz vorschlagen stimulierte Emission. Seit vielen Jahren haben die Physiker, dass die spontane Emission Licht war die wahrscheinlichste und dominante Form, und dass jede stimulierte Emission würde immer viel schwächer. Erst nach dem Zweiten Weltkrieg, dass die Suche nach Bedingungen begann, die notwendig waren für die stimulierte Emission zu beherrschen, und viele andere stimulieren ein Atom oder Molekül zu machen, die Wirkung zu verstärken emittierte Licht zu erzeugen.

Ein Wissenschaftler an der Columbia University, Charles H. Townes, war der erste in der Verstärkung der stimulierten Strahlung in den frühen 1950er Jahren, aber seine Arbeit zentriert um Mikrowellen (mit einer viel längeren Wellenlänge als sichtbares Licht), und er nannte sein Gerät ein um erfolgreich zu sein Maser. Andere Wissenschaftler gefolgt in erfolgreichen Maser Aufbau und eine erhebliche Menge an Anstrengung wurde in Versuche konzentriert, um eine stimulierte Emission bei kürzeren Wellenlängen erzeugen. Viele der primären Konzepte zur Herstellung eines Lasers wurden ungefähr zur gleichen Zeit entwickelt, die später in den 1950er Jahren von Townes und Arthur Schawlow (Bell Laboratories) und durch Gordon Gould an der Columbia University. Gould eine Patentanmeldung eingereicht, anstatt seine Ideen zu veröffentlichen, und obwohl er Kredit für die Prägung des Wortes gegeben wurde "Laser-" in seinen Notebooks vergangen, fast 30 Jahre, bevor er mehrere Patente erteilt wurde. Es gibt immer noch Uneinigkeit über die Kredit für das Konzept des Lasers verdient. Zwei Sowjets, Nikolai Basov und Aleksander Prochorow, teilte die 1964 den Nobelpreis für Physik mit Townes für ihre Pionierarbeit auf den Prinzipien Maser und Laser zu Grunde liegen. Schawlow wurde ein Anteil an der 1981 den Nobelpreis für Physik für seine Laserforschung verliehen.

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Argon-Ionen-Gas-LaserUntersucht, wie die Argon-Ionen-Laserentladungsröhre mit ionisiertem Gas betreibt eine kontinuierliche Welle von Lichtenergie durch den Ausgangsspiegel zu erzeugen. Das Tutorial zeigt den langsamen Aufbau von Lichtenergie innerhalb des Rohres vor einen stabilen Zustand der Laserentladung zu etablieren.

Veröffentlichung von Townes ‘und Schawlow Arbeit stimuliert einen großen Aufwand ein Arbeitslasersystem zu bauen. Im Mai 1960 erbaut Theodore Maiman, arbeitet bei Hughes Research Laboratories, eine Vorrichtung mit einem synthetischen Rubinstab verwenden, das als der erste Laser gutgeschrieben wurde. Maiman der Rubin-Laser bei 694 nm in einem dicht konzentrierten schmalen Strahl intensiven Impulsen kohärenter rotes Licht emittiert, ganz typisch für die von vielen aktuellen Laser angezeigt Eigenschaften. Der erste Laser verwendet, um einen kleinen Rubinstab die Enden versilbert mit Licht zu reflektieren, die von einer spiralförmigen Blitzlampe umgeben und war klein genug, um in der Hand gehalten zu werden. Interessanterweise dachte der Fotograf von Hughes beauftragt, die Entdeckung zu machen, dass die eigentliche Laser zu klein war, und hatte Maiman mit einem größeren Laser darstellen, die nicht in Betrieb, bis später. Fotografien Maiman zeigt, die mit der "eindrucksvoller" Laser sind noch in vielen Publikationen umgewälzt und genutzt.

Obwohl Laser für sichtbares Licht sind die häufigsten emittieren, sind die grundlegenden Prinzipien anwendbar durch viel des elektromagnetischen Spektrums. Die erste stimulierte Emission wurde im Mikrowellenbereich des Spektrums erreicht, aber jetzt Laser sind vorhanden, die ultraviolettes und infrarotes Licht emittieren, und der Fortschritt wird in Richtung auf die Herstellung Laser für Röntgen Spektralbereich hergestellt. Die tatsächlichen Laser im Einsatz reichen heute in Leistung, die von weniger als einem Milliwatt zu viele Kilowatt Dauerleistung, und einige produzieren Billionen Watt in extrem kurzen Pulsen. Figur 2 zeigt einige Beispiele von repräsentativen Laser, die allgemein in Größe und Anwendung variieren. Militär und anderen Forschungslabors haben Laser gebaut, die gesamten Gebäude besetzen, während die am häufigsten verwendeten Laser ein Halbleiterbauelement über die Größe eines Sandkorns verwenden.

Ein Verständnis bestimmter Grundprinzipien ist wichtig, in jeder Erklärung, wie die stimulierte Emission erzeugt und verstärkt. Die erste dieser Prinzipien ist notwendig, weil der Laser inhärent ist eine quantenmechanische Vorrichtung und die Quantennatur der Energie muss, um die Laseroperation zu erklären, aufgerufen werden. Klassische Physik nimmt an, dass Energie kontinuierlich variieren und glatt und dass Atome und Moleküle können jede Menge an Energie. Einstein Arbeit, die zur Entwicklung der Quantenmechanik Schlüssel wurde, gilt, dass Energie in diskreten Einheiten vorhanden ist oder Quanten und dass die Atome und Moleküle (und daher alles andere) beschränkt sind, nur bestimmte diskrete Energiemengen aufweist.

Mehrere zusätzliche Begriffe, die auf der Photonen- und atomarer Ebene stammen und aus dem Prinzip der Quantisierung abgeleitet sind, sind in Verständnis Laserbetrieb notwendige:

Quantisierung von Energie in den Atom Ergebnisse in diskreten Energieniveaus mit dem Atom, verbunden.

Der Übergang von einem Energieniveau auf ein anderes muss möglich sein, für die Lichtemission um aufzutreten.

Verschiedene Arten von Übergangs auftreten und die Energiemenge in einem Übergangs Wirkung verliert.

Spontane und stimulierte Emission ist von Energieübergänge möglich.

Bevölkerung Inversionen unter Energieniveaus muss die stimulierte Emission von Energie zu verstärken, erreicht werden.

Wenn ein Atom oder Molekül liegt in einem Energiezustand, der höher als die niedrigste ist, oder ebenerdig Zustand, kann es spontan ohne Stimulation von außen auf ein niedrigeres Niveau fallen. Ein mögliches Ergebnis der auf einen reduzierten Energiezustand fällt ist die Freisetzung der Überschußenergie (gleich der Differenz der beiden Energieniveaus) als ein Lichtphoton. Angeregter Atome oder Moleküle haben eine charakteristische spontane Emissionszeit, die die durchschnittliche Zeit, die sie im angeregten höheren Energiezustand verbleiben, bevor sie auf ein niedrigeres Energieniveau fallen und ein Photon emittieren. Die Emissionszeit ist ein wichtiger Faktor bei der stimulierten Emission, wobei das zweite Art von Einstein vorgeschlagen.

Während in den angeregten Zustand, wenn das Atom mit einem ankommenden Photonen mit genau die gleiche Energie wie der Übergang beleuchtet wird, die spontan auftreten würde, auf den unteren Zustand zurückzukehren das Atom kann durch den ankommenden Photonen angeregt werden, und gleichzeitig wird ein Photon, dass emittieren gleiche Übergangsenergie. Ein einzelnes Photon mit einem angeregten Atom in Wechselwirkung kann daher in zwei Photonen führen emittiert. Wenn die emittierten Photonen als eine Welle betrachtet werden, schwingt die stimulierte Emission bei der Frequenz des eintreffenden Lichts und werden in Phase (kohärent), was zu einer Amplifikation der ursprünglichen Intensität der Lichtwelle. 3 veranschaulicht die spontane (a) und stimulierte (b) Emission mit den beiden kohärenten Wellen, die von dem letzteren Fall führen.

Das primäre Problem bei der Erreichung stimulierte Laseremission ist, dass unter normalen Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts, der Population oder die Anzahl von Atomen oder Molekülen an jedem Energieniveau, um eine stimulierte Emission nicht günstig ist. Wegen der Neigung der Atome und Moleküle spontan zu niedrigeren Energieniveaus fallen, nimmt die Anzahl an jedem Energieniveau als die Energie zunimmt. In der Tat, unter normalen Bedingungen für eine Übergangsenergie einer typischen optischen Wellenlänge (in der Größenordnung von 1 Elektronenvolt), das Verhältnis der Anzahl der Atome oder Moleküle in dem höheren Energiezustand auf die Zahl in der unteren Grundzustand entspricht, vielleicht ist 10 E + 17. Mit anderen Worten, sind praktisch alle der Atome oder Moleküle in den Grundzustand für einen sichtbaren Wellenlängenenergieübergang.

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Spontane und stimulierte ProzesseUntersuchen Sie spontane Absorption und Emission sowie stimulierte Emission was zu Energieniveau Übergänge mit diesem interaktiven Tutorial. Diese grundlegenden Prozesse sind wichtige Konzepte notwendig Verständnis Laserbetrieb.

Der Grund, dass stimulierte Emission ist schwierig zu erreichen, deutlich, wenn die wahrscheinlichen Ereignisse unter Berücksichtigung des Zerfalls eines Elektrons von einem angeregten Zustand mit der nachfolgenden und spontane Lichtemission umgibt. Das emittierte Licht kann leicht Emission anregen von einem anderen Atom verlassen, aber so wenige sind verfügbar, dass die Emission wahrscheinlicher zuerst ein Atom im Grundzustand auftreten wird, und wird stattdessen absorbiert werden (Figur 3 (c)). Da die Anzahl der Atome in einem angeregten Zustand in Bezug auf die Anzahl in den Grundzustand so miniscule ist, hat das emittierte Photon eine viel größere Wahrscheinlichkeit absorbiert zu werden, wodurch eine stimulierte Emission unbedeutend im Vergleich zu spontanen Emission (im thermodynamischen Gleichgewicht).

Der Mechanismus, durch die stimulierte Emission kann zu dominieren gemacht werden mehr Atome im angeregten Zustand zu haben, als in den niedrigeren Energiezustand, so daß emittierten Photonen sind eher Emission zu stimulieren als absorbiert werden. Da diese Bedingung die Umkehrung der normalen Gleichgewichtszustand ist, wird bezeichnet als Besetzungsinversion. Solange es mehrere Atome in dem oberen Energieniveau sind als im unteren, kann stimulierte Emission dominiert und eine Kaskade von Photonen Ergebnisse. Die erste emittierten Photons wird die Emission von mehr Photonen stimulieren, diese anschließend den Ausstoß von noch mehr zu stimulieren, und so weiter. Die sich ergebende Kaskade von Photonen wächst, in der Verstärkung des emittierten Lichts führt. Wenn die Besetzungsinversion endet (der Grundzustand Bevölkerung wird dominant), wird die spontane Emission wieder werden die favorisierte Verfahren.

Zum Zeitpunkt des Einsteins Vorschlag angenommen meisten Physiker, dass jeder anderen Bedingung als thermodynamischen Gleichgewicht war instabil und nicht aufrechterhalten werden konnte. Erst nach dem Zweiten Weltkrieg, die ernsthaft in Erwägung zu Methoden zur Herstellung der Bevölkerung Inversionen gegeben wurde notwendig stimulierte Emission zu erhalten. Atome und Moleküle können viele Energieniveaus besetzen, und obwohl einige Übergänge sind eher als andere (aufgrund Regeln der Quantenmechanik und aus anderen Gründen), kann ein Übergang zwischen zwei beliebigen Ebenen auftreten. Die Mindestanforderung für stimulierte Emission und Verstärkung oder Laserwirkung ist, dass Energieniveau mindestens einem höheren eine größere Bevölkerung als ein niedrigeres Niveau haben muss.

Eine Besetzungsinversion kann durch zwei grundlegende Mechanismen erzeugt werden, entweder durch einen Überschuss von Atomen oder Molekülen in einen höheren Energiezustand zu schaffen, oder durch die Bevölkerung einer niedrigeren Energiezustand zu reduzieren. Ein System kann auch gewählt werden, dass in der unteren Ebene instabil ist, aber für den kontinuierlichen Betrieb des Lasers, die Aufmerksamkeit in der Regel sowohl Bestücken der höheren Ebene und entvölkern die untere Ebene bezahlt werden muss. Wenn zu viele Atome oder Moleküle in dem niedrigeren Energieniveau akkumulieren, wird die Besetzungsinversion verloren und Laser-Aktion wird gestoppt.

Der häufigste Ansatz für eine Populationsinversion in einem Lasermediums ist, um Energie zu dem System hinzuzufügen, um Atome oder Moleküle in höhere Energieniveaus anzuregen. Einfach Energie Zugabe von thermisch das Medium Rühren nicht ausreichend ist (unter thermodynamischen Gleichgewicht) eine Besetzungsinversion zu erzeugen, da die Wärme nur die mittlere Energie der Bevölkerung erhöht, sondern in der zu der im angeregten Zustand relativ zu der Anzahl der Arten nicht erhöht niedrigeren Zustand. Das Verhältnis der Anzahl der Atome an zwei Energieniveaus (1 und 2) unter thermodynamischen Gleichgewicht wird durch die folgende Gleichung gegeben::

woher N (1) und N (2) die Anzahl der Atome in Ebene 1 und Level 2 bzw. E (1) und E (2) die Energien der beiden Ebenen sind, k konstant ist, die Boltzmann und T ist die Temperatur in Grad Kelvin. Wie durch die Gleichung gezeigt, im thermodynamischen Gleichgewicht, N (2) kann größer sein als N (1) nur dann, wenn die Temperatur eine negative Zahl ist. Bevor die Forschung beschreibt Aktion Maser und Laser veröffentlicht wurde, bezeichnet die Physiker zu einer Besetzungsinversion als negative Temperatur. das war symbolisch für ihre Ansicht, dass jede Bedingung, anders als thermodynamischen Gleichgewicht war unwahrscheinlich, aufrechterhalten werden.

Um die erforderliche Besetzungsinversion für Laseraktivität erzeugen, Atome oder Moleküle müssen auf bestimmte Energieniveaus selektiv angeregt werden. Licht und Elektrizität sind die Anregungsmechanismen der Wahl für die meisten Laser. Entweder Licht oder Elektronen kann die Energie, die notwendig sind Atome oder Moleküle an ausgewählte höhere Energieniveaus, und die Übertragung von Energie zu erregen ist nicht erforderlich, um direkt Elektronen in einem bestimmten oberen Niveau des Laserübergang zu fördern. Einige Ansätze können sehr komplex sein, aber diese erzeugen oft besseren Leistung Laser. Eine häufig verwendete Ansatz regt ein Atom oder Molekül zu einem höheren Energieniveau als erforderlich, nach dem es zu dem oberen Laserniveau abfällt. Indirekte Anregung können Atome in einem umgebenden Gasmischung, die dann ihre Energie an die Atome oder Moleküle, die für die Herstellung des Laserwirkung anzuregen, verwendet werden.

Wie zuvor diskutiert, ist die Menge an Zeit, die ein Atom oder Molekül in einem angeregten Zustand verbracht kritisch bei der Bestimmung, ob es zur Emission angeregt werden und in einer Kaskade von Photonen, oder verlieren ihre Energie durch spontane Emission teilnehmen. Angeregte Zustände haben häufig Lebensdauer von nur Nanosekunden, bevor sie ihre Energie durch spontane Emission freisetzen, eine Zeit, die nicht lange genug ist, um wahrscheinlich Stimulation durch ein anderes Photon unterziehen. Eine kritische Anforderung für die Laserwirkung ist daher eine langlebigere Zustand, der für das obere Energieniveau geeignet ist. Solche Zustände haben für bestimmte Materialien bestehen, und werden als metastabile Zustände (siehe Abbildung 4). Die durchschnittliche Lebensdauer vor spontane Emission erfolgt für einen metastabilen Zustand in der Größenordnung von einer Mikrosekunde auf eine Millisekunde ist, eine recht lange Zeit auf der atomaren Zeitskala. Mit Leben so lange, angeregte Atome und Moleküle können erhebliche Mengen an stimulierte Emission erzeugen. Laser Aktion ist nur möglich, wenn die Bevölkerung schneller aufbaut als im oberen Energieniveau zerfällt, die Aufrechterhaltung einer Bevölkerung, die größer ist als die der unteren Ebene. Je länger die spontane Emission Lebensdauer, desto geeigneter ist ein Molekül oder Atom ist für Laseranwendungen.

Die Maser, die Charles Townes vor dem ersten Laser nachgewiesen war signifikant, weil es die Erzeugung einer Besetzungsinversion, um Funktion erforderlich ist, und daher erwies sich viele skeptisch Physiker, dass eine solche Inversion hergestellt werden. Sein System war ein Zwei-Ebenen-Maser, unter Verwendung nur die oberen und unteren Energieniveaus. Townes verwendet einen neuartigen Ansatz in seinem System Ammoniak-Molekül die Besetzungsinversion zu erzeugen — eine Molekularstrahl-Technik, die die angeregten Ammoniakmoleküle von Grundzustandsmoleküle getrennt. Die Grundzustandsmoleküle wurden verworfen, und die getrennt angeregten Moleküle bildeten die erforderliche Besetzungsinversion. Andere, effizienter Mittel wurden nun für Maser entwickelt und praktisch Laser erfordern die Verwendung von drei, vier oder mehr Energieniveaus.

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LaserenergieniveausEine Besetzungsinversion kann durch zwei grundlegende Mechanismen erzeugt werden, entweder durch einen Überschuss von Atomen oder Molekülen in einen höheren Energiezustand zu schaffen, oder durch die Bevölkerung einer niedrigeren Energiezustand zu reduzieren. Dieses Tutorial erforscht metastabile Zustände für beide Drei-Ebenen-und Vier-Level-Lasersystemen.

Die einfachste funktionelle Energieniveaustruktur für den Laserbetrieb ist ein dreistufiges System, das in Figur 4 (a) veranschaulicht. In diesem System ist der Grundzustand der untere Laserniveau und eine Besetzungsinversion zwischen dieser Ebene und einer höheren Energie metastabilen Zustand geschaffen. Die meisten der Atome oder Moleküle werden zunächst aufgeregt zu einer kurzlebigen Hochenergiezustand, der höher ist als der metastabile Niveau ist. Von diesem Zustand verfallen sie schnell auf die Zwischen metastabilen Niveau, was eine viel längere Lebensdauer als die höheren Energiezustand hat (oft in der Größenordnung von 1000 mal länger). Da jede Verweilzeit des Atoms in den metastabilen Zustand relativ lang ist, neigt dazu, die Bevölkerung zu erhöhen und führt zu einer Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen Zustand und dem unteren Grundzustand (die kontinuierlich auf höchstem Niveau entvölkert wird). Stimulierte Emission ergibt sich aus der Tatsache, dass mehr Atome im oberen angeregten (metastabilen) Zustand zur Verfügung stehen als im unteren Zustand, in dem die Absorption von Licht würde höchstwahrscheinlich auftreten.

Obwohl die Drei-Ebenen-Lasersystem für alle praktischen Zwecke arbeitet, wie von Maiman erste Laser exemplifiziert, begrenzen eine Reihe von Problemen, die Wirksamkeit dieses Ansatzes. Das zentrale Problem tritt auf, weil das untere Laserniveau der Massepegel ist, die der Normalzustand für die meisten Atome oder Moleküle ist. Um die Besetzungsinversion, eine Mehrheit der Grundzustand Elektronen zu erzeugen muss der hoch angeregten Energieniveau gefördert werden, einen wesentlichen Beitrag externer Energie erfordert. Darüber hinaus ist die Besetzungsinversions schwierig für eine nennenswerte Zeit aufrecht zu erhalten, und deshalb muß Dreiniveau-Laser im Pulsbetrieb nicht kontinuierlich betrieben werden.

Laser vier oder mehr Energieniveaus verwendet vermeiden einige der Probleme, die oben erwähnt wurde, und daher häufiger verwendet werden. Figur 4 (b) veranschaulicht ein Vier-Stufen-Szenario. Die Energieniveaustruktur ist ähnlich der in dem Drei-Niveau-System, mit der Ausnahme, daß nach den Atomen von der höchsten Ebene zu dem metastabilen oberen Zustand fallen, sie den ganzen Weg in einem einzigen Schritt in den Grundzustand nicht fallen. Da die Besetzungsinversion wird nicht zwischen dem Grundzustand und der oberen Ebene geschaffen, die Anzahl der Atome oder Moleküle, die erhöht werden muss, wird dramatisch in diesem Modell reduziert. In einem typischen Lasersystem Vier-Stufen, wenn nur ein oder zwei Prozent der Atome oder Moleküle im unteren Laserniveau liegen (die über dem Grundzustand), dann spannend nur zwei bis vier Prozent des gesamten auf der höheren Ebene wird erreichen, um die Besetzungsinversion erforderlich. Ein weiterer Vorteil der unteren Laserniveau aus dem Boden zu trennen ist, dass die untere Ebene Atome natürlich in den Grundzustand fallen. Wenn das untere Laserniveau eine Lebensdauer hat, die wesentlich kürzer als die obere Ebene ist, werden Atome mit einer Rate auf das Bodenniveau zerfallen ausreichend, um Akkumulation im unteren Laserniveau zu vermeiden. Viele der Laser unter diesen Randbedingungen konzipiert können in einem kontinuierlichen Modus betrieben werden, um einen ununterbrochenen Strahl zu erzeugen.

Die tatsächliche Arbeitszeit Laser sind in der Regel weitaus komplexer als die oben beschriebenen Modelle. Der obere Laserniveau ist oft nicht eine einzige Ebene, sondern eine Gruppe von Energieniveaus, die die erforderliche Anregungsenergie zu variieren über einen weiten Bereich während des Betriebs ermöglicht. Die untere Ebene kann auch aus mehreren Ebenen, und wenn eng oberen Ebenen jeden Zerfall zu einem anderen unteren Ebene angeordnet sind, ein einziger Laser kann auf mehrere Übergänge betrieben werden, mehr als eine Wellenlänge zu erzeugen. Das Helium-Neon-Laser, beispielsweise wird üblicherweise für eine einzelne rote Wellenlänge zu emittieren, verwendet wird, aber es kann auch an anderen Übergängen betrieben werden, um orange, gelb, grün, und Infrarotstrahlung. Viele andere Faktoren existieren in der Konstruktion von praktischen Lasern, einschließlich der Art des aktiven Medien. Mehrere Gase oder andere Kombinationen von Molekülarten werden häufig eingesetzt, um die Effizienz der Erfassung und Übertragung der Energie zu verbessern, oder in entvölkern das untere Laserniveau zu unterstützen.

Vor der wegweisenden Demonstration, dass Maser und Laser tatsächlich produziert werden konnten, hatten Wissenschaftler die Tatsache übersehen, dass natürlich vorkommende Maser im Weltraum vorhanden sind (Abbildung 5). Auch nach Einstein die Vorhersage der stimulierten Emission, eine Mehrheit der Physiker glaubten, dass eine Besetzungsinversion Herstellung war so schwer, dass es unwahrscheinlich sei, in der Natur vorkommen. In der Tat haben Wissenschaftler offenbar nicht ernsthaft in Erwägung ziehen, dass die Materie natürlich in einem anderen Zustand als thermodynamischen Gleichgewicht existieren könnte. Sogenannt kosmische Maser umfassen Quellen wie Umschläge um rote Riesensterne, Kometen, Supernova-Überreste und andere Sternentstehungsmolekülwolken. In der Gaswolke einen heißen Stern umgibt, wobei die Strahlung des Sterns emittiert wird, kann die Gasmoleküle auf höhere Energieniveaus, zu erregen, die dann zu einem metastabilen Zustand zerfallen. Solange eine geeignete untere Laserniveau vorhanden ist, kann eine Besetzungsinversion, dass treten in die Laserwirkung führen. Obwohl das Verfahren zum vom Menschen verursachten Maser oder Laser, und große Mengen an Energie identisch ist, abgestrahlt werden kann, Emission von Stern Laser oder Maser Energie ist nicht auf einen Strahl beschränkt. Die Strahlung, die von einem kosmischen Maser emittiert reist nach außen in alle Richtungen ebenso wie die Energie von jedem anderen interstellare heißen Gaswolke.

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Stimulierten Emission in einen LaserhohlraumDie Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission ist ein fundamentales Konzept in der Grundverständnis für die Laserwirkung. Dieses interaktive Tutorial untersucht, wie Laserverstärkung erfolgt von der spontanen Emission des ersten Photons zu einer Sättigung des Laserresonators und die Einrichtung eines dynamischen Gleichgewichtszustand zu starten.

Neben der Schaffung einer Besetzungsinversion, sind verschiedene andere Faktoren erforderlich Licht in einen Laserstrahl zu verstärken und zu konzentrieren. Licht aus stimulierter Emission in einem Lasermedium erzeugt wird, hat in der Regel eine einzige Wellenlänge, sondern muss durch einen Mechanismus effizient aus dem Medium extrahiert werden, die Verstärkung umfasst. Diese Aufgabe wird in ein erreicht Hohlraumresonator. die reflektiert einen Teil der Emission zurück in das Lasermedium und durch mehrere Interaktionen, baut oder verstärkt die Lichtintensität. Beispielsweise nach dem anfänglichen stimulierten Emission, zwei Photonen die gleiche Energie und Phase jeweils wahrscheinlich angeregten Atomen zu begegnen, die anschließend emittieren wird noch mehr Photonen die gleiche Energie und Phase. Die Anzahl der Photonen durch stimulierte Emission erzeugt wächst schnell, und der Anstieg ist auf die Entfernung fährt das Licht in dem Lasermedium direkt proportional.

Dargestellt in Figur 6 ist eine Darstellung der Verstärkung oder Verstärkung, die mit erhöhten Pfadlänge in dem Resonanzhohlraum entsteht durch die Spiegel an jedem Ende. Figur 6 (a) zeigt den Beginn der stimulierten Emission, die in Figur 6 (b) bis 6 (g) verstärkt wird, während das Licht von den Spiegeln an den Enden Hohlraum positioniert reflektiert wird. Ein Teil des Lichts tritt durch den teilweise reflektierenden Spiegel auf der rechten Seite des Hohlraums (6 (b, d, und f)) bei jedem Durchlauf. Schließlich wird bei dem Gleichgewichtszustand (Figur 6 (h)), wird der Hohlraum mit stimulierter Emission gesättigt.

Der Grad der Verstärkung in einem Laser erreicht, durch den Ausdruck ausgedrückt gewinnen. bezieht sich auf die Menge der stimulierten Emission kann ein Photon zu erzeugen, da sie einen bestimmten Abstand bewegt. Zum Beispiel bedeutet ein Plus von 1,5 pro Zentimeter, dass ein Photon 1,5 zusätzliche Photonen für jeden Zentimeter erzeugt er reist. Dies führt zu einem Verstärkungsfaktor, der mit der Weglänge des Laserhohlraums zunimmt. Die tatsächliche Verstärkung ist wesentlich komplexer und hängt von Schwankungen in der Bevölkerungsverteilung zwischen den oberen und unteren Laserenergieniveaus, unter anderen Faktoren. Der wichtige Punkt ist, daß die Menge der Verstärkung stark zunimmt, wobei der Abstand durch das Lasermedium gereist.

In einem Laser mit einer Längsresonanzhohlraum ausgebildet ist, wie beispielsweise ein Rubinstab oder einer gasgefüllten Röhre, entlang der Länge des Lasermediums endes Licht erzeugt weit mehr stimulierte Emission als das Licht senkrecht zur langen Achse des Hohlraumes emittiert. Lichtemission wird daher entlang der Länge des Hohlraums konzentriert auch ohne die Verwendung von Spiegeln seinem Weg zu der Längsrichtung zu begrenzen. Platzieren Spiegel an gegenüberliegenden Enden eines Laserresonators ermöglicht den Strahl hin und her zu fahren, die durch die längere Weglänge durch das Medium einer erhöhten Verstärkung führt. Die mehrfachen Reflexionen erzeugen auch einen eng gebündelten Strahl (ein wichtiger Lasercharakteristik), weil nur Photonen parallel zu den Hohlraumwänden reisen, werden von beiden Spiegeln reflektiert werden. Diese Anordnung ist als ein bekannter Oszillator. und ist notwendig, weil die meisten Lasermaterialien sehr niedrige Verstärkung aufweisen, und eine ausreichende Verstärkung kann nur mit langer Weglänge durch das Medium erreicht werden.

Ein Großteil der derzeitigen Laser mit Spiegeln an beiden Enden des Resonanzhohlraums ausgelegt den Pfad, die Licht braucht, um durch das Lasermedium zu erhöhen. Die Emissionsintensität wächst mit jedem Durchgang des Lichts, bis sie eine Gleichgewichtsniveau erreicht, das durch den Hohlraum und Spiegeldesign hergestellt wird. Einen Resonatorspiegel reflektiert fast das gesamte einfallende Licht, während die andere (der Ausgangsspiegel) etwas Licht reflektiert und einen Teil wie der Laserstrahl. In einem Laser, der mit niedriger Verstärkung aufweist, wird der Ausgangsspiegel nur einen kleinen Bruchteil des Lichts (vielleicht nur wenige Prozent) zu übertragen ausgewählt, und die Mehrheit zurück in den Hohlraum zu reflektieren. Im Gleichgewicht wird die Laserleistung innerhalb des Hohlraums höher ist als außerhalb, und variiert mit dem Anteil von Licht durch den Ausgangsspiegel übertragen. Durch Erhöhen der Durchlässigkeit des Ausgangsspiegels, die Leistungsdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des Hohlraums reduziert werden. Jedoch solange der Ausgangsspiegel einen Teil des Lichts zurück in den Hohlraum reflektiert, bleibt die Kraft in höher als in der austretende Strahl.

Ein verbreiteter Irrtum über Laser ergibt sich aus der Idee, dass alle des emittierten Lichts reflektiert wird und zurück in den Hohlraum bis zu einer kritischen Intensität erreicht ist, woraufhin einige "entkommt" durch den Ausgangsspiegel als Strahl. In Wirklichkeit überträgt der Ausgangsspiegel immer ein konstanter Bruchteil des Lichtes, wenn der Strahl, reflektiert den Rest zurück in den Hohlraum. Diese Funktion ist wichtig, in den Laser ermöglicht einen Gleichgewichtszustand mit den Leistungsstufen zu erreichen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Lasers immer konstant.

Aufgrund der Tatsache, dass das Licht in einem Laserresonator hin und her schwingt, um das Phänomen der Resonanz wird zu einem Faktor bei der Amplifikation von Laserintensität. In Abhängigkeit von der Wellenlänge der stimulierten Emission und Resonatorlänge reflektierten Wellen von den Endspiegeln entweder konstruktiv interferieren und stark amplifiziert werden, oder diese stören destruktiv und Laseraktivität abzubrechen. Da die Wellen innerhalb des Hohlraums alle kohärenten und phasengleich sind, werden sie in Phase bleiben, wenn sie von einem Resonatorspiegel reflektiert. Die Wellen werden auch in Phase sein, auf die gegenüberliegende Spiegel erreicht, vorausgesetzt, die Hohlraumlänge eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen entspricht. Somit wird nach einer vollständigen Oszillation in dem Hohlraum zu machen, haben die Lichtwellen eine Weglänge gleich dem Doppelten der Resonatorlänge gereist. Wenn dieser Abstand ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, addieren sich die Wellen alle in der Amplitude durch konstruktive Interferenz. Wenn der Hohlraum nicht ein genaues Vielfaches der Laserwellenlänge ist, eine destruktive Interferenz auftreten, Lasereinwirkung zerstört wird. Die folgende Gleichung definiert die Resonanzbedingung, die für die starke Verstärkung erfüllt sein müssen, in den Laserhohlraum auftreten :

N l = 2 (Hohlraumlänge)

woher N eine ganze Zahl ist, und l die Wellenlänge ist. Die Bedingung für die Resonanz nicht so kritisch ist, wie es erscheinen könnte, da tatsächliche Laserübergänge in den Hohlraum über einen Bereich von Wellenlängen verteilt sind, bezeichnet die Gain-Bandbreite. Lichtwellenlängen sind extrem klein im Vergleich zu der Länge einer typischen Laserhohlraum, und im allgemeinen eine vollständige Hin- und Rückweges durch den Hohlraum wird zu mehreren hunderttausend Wellenlängen des Lichts verstärkt wird, äquivalent sein. Die Resonanz ist möglich, bei jedem integralen Wellenlängeninkrement (zB 200.000, 200.001, 200.002, etc.), und da die entsprechenden Wellenlängen sehr nahe sind, fallen sie innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Lasers. 7 veranschaulicht ein typisches Beispiel, bei dem mehrere Resonanzwerte N. bezeichnet als Longitudinalmoden des Lasers, innerhalb der Verstärkungsbandbreite passen.

Laserstrahlen haben bestimmte gemeinsame Eigenschaften, aber auch variieren, um einen breiten Grad in Bezug auf Größe, Divergenz und Lichtverteilung über den Strahldurchmesser. Diese Eigenschaften hängen stark von der Konstruktion des Laserhohlraums (Resonator) und dem optischen System zu steuern, den Strahl sowohl in der Kavität und bei der Ausgabe. Obwohl ein Laser mit einer einheitlichen hellen Lichtfleck zu erzeugen, erscheinen können, wenn sie auf eine Oberfläche projiziert wird, wenn die Lichtintensität an verschiedenen Punkten innerhalb eines Querschnitts des Strahls gemessen wird, wird man finden, in der Intensität zu variieren. Resonatordesign wirkt sich auch auf die Strahldivergenz, ein gewisses Maß an Strahl als Abstand von den Laser erhöht sich ausbreitet. Der Strahldivergenzwinkel ist ein wichtiger Faktor in den Strahldurchmesser in einem gegebenen Abstand zu berechnen.

In einem Großteil der vorhergehenden Diskussion wurde die Annahme war, dass die Spiegel an jedem Ende eines Laserresonators Hohlraum sind planar oder flach. Konzeptionell ist dies die einfachste Konfiguration, aber in der Praxis kann es sehr schwierig sein, zu erreichen. Wenn die beiden Spiegel nicht genau ausgerichtet sind, wird eine übermäßige Lichtverluste auftreten, die die Laser verursachen Betrieb zu stoppen. Selbst eine Fehlausrichtung eines fraktionierten Grad nach mehreren aufeinanderfolgenden Reflexionen, kann in erheblichen Lichtverlusten von den Seiten des Hohlraumes führen. Wenn einer oder beide der Spiegel eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, können die Lichtverluste aufgrund einer Fehlausrichtung verringert oder beseitigt werden. Aufgrund der fokussierenden Eigenschaften des gekrümmten Spiegels wird Licht auf den Hohlraum begrenzt, selbst wenn die Spiegel nicht exakt ausgerichtet sind, oder wenn das Licht emittiert wird, nicht genau entlang der Hohlraumachse. Es gibt eine Reihe von Konstruktionsvarianten, die unterschiedliche Kombinationen von ebenen und gekrümmten Spiegel verwenden, um sicherzustellen, dass das Licht immer wieder in Richtung auf die gegenüberliegende Spiegel fokussiert wird. Eine Konfiguration dieser Art ist genannt stabiler Resonator weil Licht, das auf unbestimmte Zeit von einem Spiegel zum anderen wird weiterhin oszillieren, wenn es keine weiteren Verluste reflektiert wird.

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In einem Lasermedium, das niedrige Verstärkung hat, ist ein stabiler Resonator sehr wichtig bei der Verwendung der stimulierten Emission zu maximieren. In einem Hochverstärkungs-Laser, Low-Level-Verluste aus den Seiten des Hohlraums sind nicht kritisch. In der Tat bestimmte instabilen Resonator Designs bevorzugt sein kann, weil sie oft den Vorteil des Sammelns von Energie aus einem größeren Volumen innerhalb des Lasermediums haben, obwohl sie den Lichtverlust ermöglichen. Spiegel in high-gain-Laser sind oft transparent als die in Lasersystemen niedriger Verstärkung aufweist, so daß ein gegebener Lichtstrahl nur einmal durch den Hohlraum bewegen kann, bevor in dem Strahl austritt. Daher Ausrichtung der Spiegel ist nicht so kritisch wie in einem Niedrigverstärkungs Design, bei denen eine hohe Reflektivität des Ausgangsspiegels bewirkt, daß das Licht vor Schwellen viele Male reflektiert werden.

Die Länge Laserkavität und die Wellenlänge des Lichts zusammenwirken Longitudinalmoden der Energieverteilung in dem Strahl zu erzeugen, aber der Resonator Design ist ein Schlüsselfaktor bei der über die Breite des Balkens die Intensitätsverteilung zu bestimmen, und die Geschwindigkeit, mit der der Strahl divergiert . Die Intensität über den Strahl wird durch die festgestellt Transversalmode des Strahls. Die möglichen Verteilungen in Strahlintensität sind begrenzt durch bestimmte sogenannte Randbedingungen, aber in der Regel ein Strahl weist eine, zwei oder mehr Peaks in der Mitte, mit Null-Intensität an den Rändern. Die verschiedenen Betriebsarten werden als TEM (mn) Modi. in Bezug auf T ransverse, E lectric und M agnetic Modi jeweils gegebenen m und n ganze Zahlen sind. Die ganzen Zahlen geben die Anzahl der Minima bzw. Nullintensitätspunkten, zwischen den Rändern des Strahls in zwei zueinander senkrechten Richtungen (E-mode für den ersten und M-mode. der Zweite).

Ein typischer Laserstrahl hellsten in der Mitte und Tropfen in der Intensität zu den Rändern ab. Dies stellt die einfachste erste Bestellung Modus wird bezeichnet TEM (00). und hat ein Intensitätsprofil über den Strahl, die eine Gauß-Funktion folgt. 8 veranschaulicht einige der vielen TEM (mn) Modi, die möglich sind. Obwohl einige stabile Resonator-Laser, insbesondere solche für die maximale Ausgangsleistung ausgelegt, in einem oder mehreren der Moden höherer Ordnung arbeiten, ist es gewöhnlich wünschenswert, diese Schwingungen zu unterdrücken. Der Modus erster Ordnung kann Low-Gain-Laser in einem stabilen Resonator erhalten leicht werden, und ist der bevorzugte Modus, da Strahl aufgrund der Beugung Ausbreitung kann eine theoretische Minimalwert nähern.

Diffraction spielt eine wichtige Rolle in der Größe des Laserflecks zu bestimmen, die zu einem gegebenen Abstand projiziert werden kann. Die Oszillation des Strahls in dem Resonatorhohlraum erzeugt einen schmalen Strahl, der auf den Resonator Design, die Größe der Austrittsöffnung, und die resultierenden Beugungseffekte auf den Strahl in einem Winkel divergiert, anschließend abhängig. Diffraction wird üblicherweise als Strahl Spreizwirkung beschrieben, die aus der Bildung von Beugungsringen führt (sog Luftig Ringe), die einen Strahl, wenn die Lichtwellen durchlaufen haben, durch eine kleine Öffnung umgeben. Diese Beugungserscheinungen eine Grenze für den Mindestdurchmesser eines Lichtpunktes zusetzen, nachdem sie durch ein optisches System verläuft. Für einen Laser, kann der Strahl, die aus dem Ausgangsspiegel gedacht werden als die Öffnung bzw. Apertur, und die Beugungseffekte auf den Strahl von dem Spiegel die minimale Divergenz und Punktgröße des Strahls begrenzen. Für Träger in TEM (00) Modus, Beugungs ist normalerweise der begrenzende Faktor in der Strahldivergenz. Der Sollwert der Strahldivergenz wird durch die einfache Beziehung gegeben:

Divergence (in Radiant) = Konstante Wellenlänge / Strahldurchmesser

Wenn der Laserstrahl durch ein optisches System durchläuft, ist der entsprechende Durchmesserwert in der obigen Gleichung die des letzten Elements durch die der Strahl hindurchgeht. Die Konstante ist abhängig von der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl, und ist sehr nah an der Einheit in Wert. Die Beziehung zeigt deutlich, dass die Strahldivergenz mit der Wellenlänge zunimmt, und nimmt ab, wenn Strahl (oder Ausgangslinse) im Durchmesser zunimmt. Mit anderen Worten, wird ein kleinerer Durchmesser Strahl mehr Divergenz leiden und eine größere Verbreitung mit Abstand als ein größerer Strahl.

Die Werte der Strahldivergenz für einen bestimmten Laser kann enorme praktische Bedeutung haben. Helium-Neon-und Halbleiterlaser haben Standard-Tools in Feldvermessung werden. In Laser Ranging wird eine schnelle Laserpuls an der Stelle an einen Winkelreflektor gesendet, um den Abstand von der Laser Position abgebildet werden, und die Verzögerung in der Rückkehr des Pulses wird genau gemessen zu erhalten. Über die üblichen kurzen Distanzen ist die Strahldivergenz kein großes Problem, aber für lange Distanzmessungen kann eine übermäßige Divergenz des reflektierten Strahlintensität verringern und den Nachweis erschweren. Astronauten Vereinigten Staaten auf den Apollo 11 und Apollo 14 Missionen Ecke Reflektoren auf dem Mond platziert, die an der MacDonald Observatory in Texas zu reflektieren das Licht von einem leistungsstarken gepulsten Rubinlaser eingesetzt wurden. Auch wenn der Strahl an der Oberfläche des Mondes mit einem Radius von 3 Kilometern ausgebreitet hatte, reflektierte Licht hatte immer noch genügend Intensität auf der Erde nachgewiesen werden. Der Abstand vom Mond zur Texas Observatorium wurde innerhalb von 15 Zentimetern in diesem Experiment gemessen, aber seit den 1980er Jahren haben technologische Fortschritte, die Genauigkeit auf einen Wert von weniger als 2 Zentimeter erhöht. Die derzeitigen Bemühungen sind im Gange, die leistungsstarke Teleskope verwenden, um den Fehler zu senden und zu empfangen Lichtimpulse mit mehreren Reflektoren auf dem Mond weiter zu reduzieren, vielleicht so niedrig wie 1 Millimeter.

Weil der Mechanismus der Herstellung beinhaltet die Laserwirkung Atome oder Moleküle auf einem hohen Anregungszustand, um die Erhöhung der erforderliche Populationsinversion zu erzeugen, ist es offensichtlich, dass irgendeine Form von Energie in dem Lasersystem aufgewendet werden muss. Photonen kann die notwendige Energie in einem Verfahren bereitzustellen, verwendet werden, bekannt als optische Pump. Durch Beleuchten des Lasermaterials mit Licht einer geeigneten Wellenlänge, die emittierende Atom oder Molekül kann an dem oberen Energieniveau angehoben werden, von wo aus es fällt dann auf den metastabilen Pegel und wird anschließend zu emittieren Licht angeregt. Glücklicherweise in den meisten Laser, die Licht zum Pumpen verwendet hat keine spezifischen Wellenlänge Anforderungen, vor allem, weil der Laser mehrere oberen Ebenen haben, dass alle können Zerfall der metastabilen Niveau. Daher ist eine kostengünstige Lichtquelle, die einen breiten Bereich von Wellenlängen, wie beispielsweise eine Glühlampe oder Blitzröhre, kann oft zu optisch Pumplaser verwendet werden, emittiert. Ein wichtiger Faktor, der Lasereffizienz begrenzt ist, dass die Pumplichtphotonen höhere Energie (oder das Äquivalent kürzere Wellenlänge) als das Laserlicht aufweisen muss.

Elektrische Pumpen ist ein weiterer Mechanismus der Anregung, die in Gas und Halbleiterlaser üblicherweise verwendet wird. In einem Gaslaser, ein elektrischer Strom durch das einströmende Gas regt die Atome und Moleküle in das obere Energieniveau erforderlich, den Zerfall oder Zerfallsreihe zu beginnen, welche die Laseremission erzeugt. Einige Gaslaser passieren einen konstanten Strom durch die Gas kontinuierliche Ausgabe zu erzeugen, während andere Stromimpulse verwenden gepulste Laserausgang zu erzeugen. Einige High-Power-Laser auch Elektronenstrahlen in das Gas zur Anregung gerichtet verwenden.

Halbleiterlaser arbeiten in einer ganz anderen Art und Weise, sondern stützen sich auch auf elektrische Ströme die notwendige Besetzungsinversion zu erzeugen. In diesen Geräten wird die Inversion zwischen Populationen von Stromträgern (Elektronen und Elektronen-Loch-Paare) in der Ebene des Übergangs zwischen unterschiedlichen Bereichen des Halbleiter hergestellt. Lichtemission in einem Halbleiterlaser wird in der Verbindungsebene durch eine Rückkopplung von den gespaltenen Enden des Kristalls (9) eingeengt. Der Chip-Material hat einen hohen Brechungsindex und reflektiert genügend Licht in dem Kristallverstärkung zu erzielen. Die Spaltfläche kann auch das Reflexionsvermögen zu steuern, poliert werden. Typischerweise ist ein Ende des Kristalls mit einem reflektierenden Material beschichtet, so dass nur Emission aus einem einzelnen Ende auftritt, wie 9. Viel niedrigere elektrische Potential in veranschaulicht ist und der Strom in Halbleiterlasern zu Gaslasern im Vergleich erforderlich ist.

Andere Mittel zur Energieübertragung sind weniger häufig zu Leistungslaserübergänge eingesetzt. Kern oder chemische Reaktionen können angeregte Spezies in einigen Lasern zu erzeugen genutzt werden. Gaslaser können eine Kombination verschiedener Gase verwenden, um den Laserprozess durchzuführen. In der Helium-Neon-Laser, erfassen die Heliumatome Energie aus der Gasentladung, die durch einen elektrischen Eingang verursacht wird, die dann auf sehr enge Energieniveaus, die in dem Neongas existieren übertragen wird. Der Laserübergang tritt anschließend in dem Neongas die Laseremission zu erzeugen.

Laser sind von Natur aus ineffizient. Energie muß dem Laser zugeführt werden, und ein Teil wird bei der Umwandlung verloren höher Energie bestellt in Form von Laserlicht. Wie oben erörtert, für einen optisch gepumpten Laser, der Laserausgangsleistung immer mehr in Wellenlänge als das Pumplicht. Andere Energieverluste auftreten, während Energieniveau Veränderungen, die in drei Ebenen und Vier-Stufen-Laser. Nach der anfänglichen Erregung der oberen Ebene, der Laserübergang selbst kann nur ein Teil dieser Energie freisetzen, insbesondere der Rest an andere Prozesse verloren gehen. In einigen Systemen mit einem Hochenergie-Laser-Übergang muss eine große Menge an Energie nur verbraucht werden, um die Laser-Spezies auf das geeignete Niveau zu heben, weit über dem Grundzustand. Anregung, sei es durch elektrische oder optische Mittel, ist nicht zu 100 Prozent effizient — die Energie nie vollständig von dem Lasermedium absorbiert. Alle diese wichtigen Faktoren, und einige kleinere diejenigen nicht erwähnt, beschränken ernsthaft die Gesamteffizienz von Lasern. Obwohl die effizienteste Halbleiterlaser und Gaslaser einige können fast 10 Prozent der Eingangsenergie in Laserlicht umzuwandeln, die typische Laser hat einen Gesamtwirkungsgrad von 1 Prozent oder weniger.

In wenigen Jahrzehnten seit den 1960er Jahren hat sich die Laser sich von einem Science-Fiction-Fantasie, in ein Labor Forschung Neugier, zu einem teuren, aber wertvolles Werkzeug in der esoterischen wissenschaftlichen Anwendungen bis hin zu seiner aktuellen Rolle als integraler Bestandteil des täglichen Aufgaben gegangen, wie Banales wie Lesen Lebensmittelpreise oder einen Raum für den Hintergrund zu messen. Jede wesentliche Liste der wichtigsten technologischen Errungenschaften des zwanzigsten Jahrhunderts würde die Laser in der Nähe der Spitze. Die Allgegenwart des Lasers in allen Bereichen des aktuellen Lebens am besten durch die Palette von Anwendungen zu erkennen, dass der Lasertechnologie zu nutzen. Am spektakulären Ende dieses Bereichs sind militärische Anwendungen, die Laser sind als Waffen mit möglicherweise zu verteidigen gegen Raketenangriffe. Am anderen Ende sind tägliche Aktivitäten wie der Wiedergabe von Musik auf Compact Disks und Drucken oder Kopieren von Papierdokumenten. Laser-Pointer, die einst Hunderte von Dollar kosten werden als preiswerte Schlüsselanhänger Zubehör verkauft, und sogar Tischler Ebenen und einfache Messgeräte integrieren Laser.

Zwischen dem fantastischen und dem gewöhnlichen, Laser werden in der medizinischen Behandlung und Chirurgie weit verbreitet eingesetzt, und beim Schneiden und Schweißen alles aus Stoff für Kleidung zu Stahl, Gummi und Kunststoff bei der Herstellung von Automobilen und Geräten eingesetzt. Die Wärme von Lasern in Punktschweißen Metallen und in medizinischen Verfahren so zart wie reattaching eine Netzhaut verwendet, die in das menschliche Auge abgelöst hat. Andere hochpräzise medizinische Verfahren wie Gefäßschäden zu reparieren und das Schneiden und Gewebe Verschmelzen sind erreicht routinemäßig unter Verwendung von Lasern. Ein großer Teil der weltweiten Telefonverbindungen durch das Senden gepulsten Lasersignalen über Meilen Glasfaserkabel geleitet werden, und kulturelle Artefakte, wie alte Gemälde, werden häufig auf Fehler ausgewertet und mit Hilfe von Lasern wiederhergestellt. Zusammen mit dem Computer, der integrierten Schaltung und dem Satelliten, Lasertechnik scheint dazu bestimmt, an Bedeutung in unserem täglichen Leben in einer Weise zu wachsen nicht vor nur wenigen Jahren geträumt.

Kenneth R. Frühling — Wissenschaftlicher Berater, Lusby, Maryland, 20657.

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