Laserphysik
Die Laserphysik untersucht, wie stimulierte Emission und optische Rückkopplung zusammenwirken, um kohärentes, gerichtetes, monochromatisches Licht zu erzeugen.
Definition
Die Untersuchung der Prinzipien, nach denen ein Verstärkungsmedium mit Besetzungsinversion, das in einem optischen Resonator platziert ist, Licht durch stimulierte Emission verstärkt, um einen kohärenten, gerichteten, schmalbandigen Strahl zu erzeugen.
Scope
Die Laserphysik ist der Bereich der Optik, der sich mit der Erzeugung von kohärentem Licht durch stimulierte Emission befasst. Sie umfasst die quantenmechanische Wechselwirkung von Licht und Materie durch die Einstein-Koeffizienten, die Erzeugung von Besetzungsinversion und optischer Verstärkung in einem gepumpten Medium, die Rolle eines optischen Resonators bei der Bereitstellung von Rückkopplung und der Auswahl von Moden, den Schwellenwert und den Dauerstrichbetrieb von Laseroszillatoren, die Hauptklassen von Lasern und ihre Betriebsmodi, einschließlich kontinuierlicher und gepulster (gütegeschalteter und modengekoppelter) Ausgabe, sowie die räumliche Struktur von Laserstrahlen. Sie bildet die physikalische Grundlage für die in Wissenschaft, Industrie und Medizin verwendeten Laser.
Sub-topics
Core questions
- Wie erzeugt stimulierte Emission optische Verstärkung?
- Welche Bedingungen sind erforderlich, um Laseroszillation zu erreichen und aufrechtzuerhalten?
- Wie formt der Resonator die spektralen und räumlichen Eigenschaften der Ausgabe?
- Was unterscheidet die Haupttypen von Lasern und ihre Methoden zur Pulserzeugung?
Key concepts
- stimulierte Emission
- Besetzungsinversion
- optische Verstärkung
- Pumpen
- optischer Resonator
- Laserschwelle
- longitudinale und transversale Moden
- Kohärenz und Monochromatizität
Key theories
- Stimulierte Emission und die Einstein-Koeffizienten
- Einsteins Behandlung von Absorption, spontaner Emission und stimulierter Emission setzt deren Raten in Beziehung und zeigt, dass ein angeregtes Medium Licht kohärent verstärken kann, das Prinzip, das allen Lasern zugrunde liegt.
- Laseroszillation: Verstärkung, Rückkopplung und Schwelle
- Lasing tritt auf, wenn die Umlaufverstärkung aus einem Medium mit Besetzungsinversion die Resonatorverluste ausgleicht; oberhalb dieser Schwelle baut sich eine selbsterhaltende, kohärente Oszillation in den Kavitätsmoden auf.
- Resonatormodenstruktur
- Der optische Resonator erzwingt diskrete longitudinale Frequenzen und transversale räumliche Moden auf das Feld, wodurch die Linienbreite, das Strahlprofil und die Kohärenz des Lasers bestimmt werden.
Clinical relevance
Laser werden in der gesamten Medizin zum Schneiden und Koagulieren von Gewebe in der Chirurgie, zur Photokoagulation und refraktiven Korrektur in der Ophthalmologie, für dermatologische und ästhetische Behandlungen sowie als Lichtquellen für die diagnostische Bildgebung und Spektroskopie eingesetzt, wobei ihre präzise, kohärente Ausgabe eine kontrollierte Energieabgabe ermöglicht.
History
Einstein führte die stimulierte Emission 1917 ein, doch die kohärente Verstärkung wurde erst in den 1950er Jahren durch Townes und Kollegen mit dem Maser realisiert. Schawlow und Townes skizzierten 1958 den optischen Laser, und Maiman betrieb 1960 den ersten funktionierenden Laser, ein Rubinlaser, und eröffnete damit das Feld.
Key figures
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Arthur L. Schawlow
- Theodore H. Maiman
Related topics
Seminal works
- siegman1986
- svelto2010
Frequently asked questions
- Was unterscheidet Laserlicht von gewöhnlichem Licht?
- Laserlicht ist hochkohärent, nahezu monochromatisch und wird als gut definierter gerichteter Strahl emittiert, da es aus stimulierter Emission in wenige Resonatormoden entsteht und nicht aus unabhängiger spontaner Emission über viele Richtungen und Wellenlängen.
- Warum benötigt ein Laser einen Resonator?
- Der Resonator führt das Licht viele Male durch das Verstärkungsmedium zurück, wodurch sich das Feld durch wiederholte stimulierte Emission aufbauen kann und die spezifischen Frequenzen und die Strahlform ausgewählt werden, die die Oszillation aufrechterhalten.