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Die Ratengleichungen ergeben sich damit zu:. In diesem Fall ist die Besetzung immer negativ. Das bedeutet, dass ein extern angeregtes Vierniveausystem sehr gut als Lasermedium geeignet ist.

Praktisch alle modernen Laser werden als Vier- oder Mehrniveausysteme konzipiert. In einem Laser wird die Strahlung, die anfänglich durch spontane Emission initiiert wurde, durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet geleitet, in dem Besetzungsinversion herrscht.

Durch das ständige Hin- und Herlaufen kann eine ausreichende Verstärkung zur Überschreitung der Laserschwelle erreicht werden.

Diese Bedingung stellt neben der Besetzungsinversion die zweite grundlegende Voraussetzung dar, dass ein Laser funktionieren kann.

Ein Laserresonator besteht im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln, zwischen denen die Strahlung reflektiert wird, so dass sich der Weg durch das Lasermedium verlängert.

Dadurch kann ein Photon sehr oft stimulierte Emission hervorrufen. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig und wird Auskoppelspiegel oder Auskoppler genannt.

Dieser sorgt dafür, dass ein Teil der Strahlung das Gerät als Laserstrahl verlassen kann. Lasermedien mit sehr hoher Verstärkung können unter Umständen auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel arbeiten.

Im Resonator werden nur Frequenzen verstärkt, welche die Resonanzbedingung erfüllen, für die also gilt:. Andere Frequenzen werden durch destruktive Interferenz ausgelöscht.

Ein anderer Aufbau ist der Ringresonator , bei dem das Licht durch mehrfache Reflexion einen geschlossenen Pfad durchläuft. Die Güte des Resonators d.

Ein Beispiel hierfür ist der Helium-Neon-Laser. Die Resonatorgüte kann oft mittels in ihm befindlicher optischer Komponenten zeitabhängig, aber auch hinsichtlich der Wellenlänge und des lateralen Strahlprofiles beeinflusst werden, um eine gute Strahlqualität , Frequenzkonstanz und Kohärenz sowie Pulsformung des Laserstrahls zu erzielen.

Solche Komponenten sind z. Blenden, optische Schalter Güteschalter oder frequenzselektive Endspiegel. Die Resonatorstabilität kann bei einfachen Resonatoren Spiegel — aktives Medium — Spiegel mit den sog.

Sie sind definiert als:. Die Stabilitätsbedingung lautet. Ein paraxialer Strahl verlässt selbst nach beliebig vielen Reflexionen den Resonator nicht.

Ist das Ergebnis gerade 0 oder 1, ist der Resonator grenzstabil. In der Praxis sind diese Art Laser sehr schwierig zu justieren und laufen meistens nur dadurch, dass andere Linseneffekte den Resonator in den Bereich der Stabilität führen.

Ein solcher Effekt kann beispielsweise ein thermischer Linseneffekt sein, bei dem durch einen Temperaturgradienten im Resonator eine thermische Linse entsteht.

Stabile Resonatoren beeinflussen die Strahlqualität und die Kohärenzeigenschaften des Laserstrahls positiv.

Der Nachteil ist die schlechte Ausnutzung des Lasermediums, da der Lichtstrahl immer wieder auf dieselben Teilchen trifft, anstatt neue Teilchen anzuregen.

Voraussetzung hierfür ist jedoch eine hohe Verstärkung des Lasermediums. Von besonderer Bedeutung ist der asymmetrische konfokale instabile Resonator, da dieser einen parallelen Ausgangsstrahl liefert.

Da bei der Erzeugung von Laserstrahlung ein nicht unerheblicher Teil der aufgewendeten Energie in Wärme umgewandelt wird, ist bei der Konstruktion von Laserresonatoren, gerade im Hochleistungsbereich, auch stets auf eine effiziente Kühlung des Laseraktivenmediums zu achten.

Unterschiedliche Schwingungsformen werden Moden genannt. Als longitudinal bezeichnet man die Schwingung längs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung.

Bildlich ausgedrückt handelt es sich dabei um Intensitätsberge und -täler im Abstand einer halben Wellenlänge. Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte Wellenlängen und deren Vielfache besonders verstärkt, weil sich nur für bestimmte Wellenlängen eine stehende Welle zwischen den Spiegeln ergibt.

Ein optischer Resonator wirkt also wie ein Kammfilter , das bestimmte aufeinanderfolgende Frequenzen verstärkt oder abschwächt. Da jedoch eine Mindestintensität nötig ist, damit im Resonator noch eine Verstärkung stattfinden kann, erhält man nur eine begrenzte Anzahl Moden, da Moden, die zu weit vom Linienschwerpunkt entfernt sind, zu wenig intensiv sind, um noch verstärkt zu werden.

Es kann sich auch ein Zustand einstellen, bei dem der Strahl zweimal durch den Resonator hin- und herlaufen muss, um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen.

Je nach verwendeten Spiegeln kann die Finesse Werte von etwa 10 bis zu mehreren In vielen Anwendungen sind mehrere longitudinale Moden unerwünscht.

Eine Verkürzung der Resonatorlänge, um nur eine Mode zu erzeugen, ergibt aber meist keinen Sinn, da dadurch nicht die gewünschte Lichtleistung erzielt werden kann.

Man behilft sich, indem im Resonator ein sogenanntes Etalon eingebracht wird. Als transversale Moden bezeichnet man die Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Bildet sich also eine Mode aus, die nicht den Raum senkrecht zu den Resonatorspiegeln ausfüllt, sondern etwas schräg verläuft, so wird der Licht- und Resonatorweg länger, und die Frequenz verschiebt sich etwas.

Dieses führt einerseits zum Konkurrieren um angeregte Mediumsmoleküle zwischen den verschiedenen Frequenzen Mode Competition , andererseits können sich so stehende Wellen ausbilden, die Knotenlinien innerhalb des Laserprofils aufweisen.

Ob und wie sie in einem Laserstrahl vorkommen, lässt sich durch optische Bauelemente wie Polarisationsfilter oder diffraktive optische Elemente bestimmen.

In Hohlleitern mit metallischer Hülle beobachtet man auch reine TE- bzw. Es können aber auch andere Profile mit Winkel- und radialen Abhängigkeiten auftreten, die sich durch Laguerre-Polynome berechnen lassen.

Ist diese Zylindersymmetrie durch Polarisationsfilter oder Brewster-Fenster gestört, treten rechteckige Symmetrien auf, die durch Hermitesche Polynome berechnet werden.

Dies kann zu einer Verfälschung der Longitudinalmodenspektren führen, indem sich die Spektren verschiedener Transversalmoden überlagern.

Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles werden wesentlich durch die Art des Laser-Resonators bestimmt, insbesondere spielen dabei die Geometrie des aktiven Mediums und die Spiegelanordnung eine wichtige Rolle.

Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. Eine allgemeine Aussage über die Strahleigenschaften ist daher nicht möglich.

Es ist auch nicht richtig, dass ein Laserstrahl immer ein enggebündelter Strahl mit geringer Frequenzbreite sein muss, wofür er allerdings oft gehalten wird.

Je nach Zielsetzung ist eine Erzeugung derartiger Strahlen aber durchaus möglich. Eine herausragende, allgemeine Eigenschaft stellt jedoch die Möglichkeit zur starken Bündelung dar, mit der sehr hohe Leistungsdichten erzielt werden können.

Generell kann man zu den Strahleigenschaften sagen, dass Laserstrahlen sich gegenüber gewöhnlichen Lichtquellen durch viele Unterschiede auszeichnen, die im Folgenden genannt werden.

Bei einer normalen Glühlampe werden Lichtwellen nicht nur mit unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet, sondern auch in unbestimmter Phasenlage zueinander.

Bei einem Laser dagegen sind die Wellen jeweils fast phasensynchron zueinander. Die Wellen sind über mehr oder weniger lange Strecken Kohärenzlänge fast phasengleich, was man sich zum Beispiel in der Holografie zunutze macht.

Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator schräge Umlenkspiegel und Brewster-Fenster , geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern meistens linear.

Oft ist das erwünscht, um polarisationsabhängige Kopplung und Strahlteilung durchführen zu können. Beim Schneiden von Metallen tritt jedoch insbesondere bei der linear polarisierten CO 2 -Laserstrahlung im Schneidspalt eine polarisationsabhängige Absorption auf, was eine schlechte und richtungsabhängige Schnittkantenqualität zur Folge hat.

Daher wird beim Metallschneiden mit zirkularer Polarisation gearbeitet, die durch phasendrehende Verzögerungsplatten im Strahlengang des Laserstrahls erzielt wird.

Die Frequenz von Laserstrahlung wird durch das aktive Medium und dessen zum Lasern geeignete Energieübergänge bestimmt.

Es gibt Stoffe, die auf vielen Wellenlängen zum Lasern angeregt werden können — jedoch meistens bei einer Wellenlänge besonders gut.

Extreme Schmalbandigkeit ist z. Bei extremer Breitbandigkeit spricht man von Superkontinuum -Lasern, welche z. Die minimal erreichbare Bandbreite wird durch die fundamentale Laser-Linienbreite [8] beschrieben.

Laserstrahlung von Dauerstrichlasern englisch continuous-wave laser, cw-laser ist im Idealfall schmalbandig monochrom, einfarbig , d.

Insbesondere ist Dauerstrich-Laserstrahlung aus stabilen Laserresonatoren aufgrund des Vielfachumlaufes zeitlich bzw.

Dadurch zeigt ein solches Licht besonders ausgeprägte Interferenzerscheinungen. Dieses Verhalten nutzt ein modengekoppelter Laser gezielt aus, indem er die Spikes z.

Im Gegensatz zum Dauerstrichlaser erzeugt ein gepulster Laser pulsierende Strahlung. Je kürzer die Pulsdauer, desto breiter ist entsprechend den Gesetzen der Fourier-Analyse das erzeugte Spektrum und umso breiter muss das Frequenzband sein, innerhalb dessen das aktive Medium verstärken kann.

Laser können sich auch selbst zur Abgabe einer Pulsfolge synchronisieren, wenn im Resonator zum Beispiel ein nichtlinearer sättigbarer Absorber vorhanden ist.

Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse in einem solchen Laser erzeugt werden, hängt u. Aus solchen Pulslasern werden zum Beispiel einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgelassen und weiterverstärkt.

Gekenterter Laser. Laser Radial auf Raumschotkurs , Segler in Ausreitstellung. Das Segel besitzt am Achterliek zwei lange Segellatten und eine verkürzte Obere.

Zur Befestigung am Mast ist am Vorliek eine sogenannte Masttasche eingenäht, mit der das Segel einfach auf den Mast gefädelt wird.

Für den Baum ist ein sehr einfacher Lümmelbeschlag , auf welchen der Baum nur gesteckt wird, vorhanden. Nach der Befestigung des Segels und des Baumniederholers am Baum wird die Steckverbindung nur noch auf Druck beansprucht.

Das gesamte Rigg steht unverstagt und drehbar in einer Vertiefung, dem sog. Köcher des Rumpfes , eine Befestigung erfolgt durch die Cunningham , die Schot zum Bedienen des Segels sowie gegebenenfalls einer Mastsicherung.

Bei gleichem Rumpf gibt es für den Laser vier unterschiedliche Riggs. Davon sind jedoch nur drei zu offiziellen Regatten zugelassen.

Dabei werden nur das Mastunterteil und das Segel ausgetauscht, alle anderen Teile des Bootes sind identisch. Die Teilung des Mastes wurde vorgenommen, da eine Entwicklungsanforderung des Lasers der Transport auf dem Autodach war.

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5 Kommentare

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