Physics 2000 Einstein's Legacy Lasers

Atom-Licht-Wechselwirkung

Also, Katrin, was weißt du darüber, wie Licht mit Atomen wechselwirkt?

Nun, ich weiß, daß, wenn Licht der richtigen Farbe auf ein Atom trifft, es ein Elektron in ein höheres Energieniveau heben kann. Und später, wenn das Elektron zurückfällt, wird Licht der gleichen Farbe in irgendeine zufällige Richtung ausgesandt.

Richtig. Aber Einstein hat vor mehr als 80 Jahren erkannt, dass auch etwas anderes passieren kann. Schau mal, ob du rauskriegst, was das ist, wenn du mit dem Applet hier herumspielst. Stelle die "Helligkeit" der Lichtquelle so ein, dass die Lichtpartikel, Photonen genannt, häufiger ausgesandt werden, und schau, ob du irgendetwas Merkwürdiges feststellen kannst:


Irgendwas ist komisch...wenn ein Photon auf ein Atom trifft, das schon angeregt ist, dann sieht es so aus, als ob das Atom ein Photon abgibt.

Hast du gemerkt, in welche Richtung dieses Photon geht?

Mal sehen.... ja, es geht in die gleiche Richtung wie das einfallende Photon.

Jawohl! Das ist die Schlüsselerkenntnis von Einstein, die den Laser möglich macht. Wenn ein Photon ein Atom trifft, das schon angeregt ist, so gibt das Atom ein neues Photon ab, das völlig identisch mit dem einfallenden Photon ist; die gleiche Farbe, die gleiche Richtung. Wir nennen diesen Prozess "stimulierte Emission".

Ein Photon trifft ein angeregtes Atom...
und das Atom emittiert ein neues Photon, das genau gleich dem ersten ist.


Ich glaube, ich hab's geschnallt...ein Photon trifft auf ein angeregtes Atom, und danach haben wir zwei Photonen, die zusammen weiterfliegen. Wenn eines von denen ein anderes angeregtes Atom findet, haben wir schon drei Photonen, und so weiter, und so weiter, aber sie sind alle identisch, weil sie durch stimulierte Emission geklont werden.

Richtig, die Zahl der Photonen wird also vergrößert, das Licht verstärkt. Das Wort "Laser" ist eine Abkürzung für "light amplification by stimulated emission of radiation" (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission).

Klar, dass man dafür eine Abkürzung brauchte!

Übrigens, wir stellen das Licht hier als kleine Teilchen dar, aber man kann es auch als Wellen auffassen. Dann ist das einfallende Licht eine Welle, und wenn diese das angeregte Atom trifft, gibt das Atom Energie ab, die die Welle ein bisschen größer werden lässt.

Eine elektromagnetische Welle trifft ein angeregtes Atom...
und die Welle nutzt die überschüssige Energie des Atoms, um eine größere Welle zu werden.




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