Laser und sein Bearbeitungssystem

1. Prinzip der Lasererzeugung

Der Atomaufbau ähnelt einem kleinen Sonnensystem, mit dem Atomkern im Zentrum. Die Elektronen kreisen ständig um den Atomkern, und auch der Atomkern rotiert ständig.

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Protonen sind positiv geladen, Neutronen hingegen ungeladen. Die Anzahl der positiven Ladungen im gesamten Atomkern entspricht der Anzahl der negativen Ladungen aller Elektronen, daher sind Atome im Allgemeinen gegenüber der Außenwelt neutral.

Was die Masse eines Atoms betrifft, so konzentriert sich der größte Teil der Atommasse im Atomkern, während die Masse der Elektronen sehr gering ist. Im Atomaufbau nimmt der Atomkern nur wenig Raum ein. Die Elektronen kreisen um den Kern und verfügen über einen deutlich größeren Bewegungsspielraum.

Atome besitzen „innere Energie“, die sich aus zwei Komponenten zusammensetzt: Zum einen besitzen die Elektronen eine Umlaufgeschwindigkeit und eine bestimmte kinetische Energie; zum anderen besteht ein bestimmter Abstand zwischen den negativ geladenen Elektronen und dem positiv geladenen Atomkern, der mit einer bestimmten potenziellen Energie verbunden ist. Die Summe aus kinetischer und potenzieller Energie aller Elektronen ergibt die Gesamtenergie des Atoms, die als innere Energie des Atoms bezeichnet wird.

Alle Elektronen kreisen um den Atomkern. Je näher sie sich am Kern befinden, desto geringer ist ihre Energie; je weiter entfernt, desto höher. Entsprechend dieser Wahrscheinlichkeit wird die Elektronenhülle in verschiedene Energieniveaus unterteilt. Auf einem bestimmten Energieniveau können sich mehrere Elektronen gleichzeitig aufhalten. Jedes Elektron hat keine feste Bahn, aber alle diese Elektronen besitzen das gleiche Energieniveau. Die Energieniveaus sind voneinander isoliert. Das Konzept des Energieniveaus teilt nicht nur die Elektronen nach ihrer Energie ein, sondern auch den Raum, in dem sie sich bewegen, in mehrere Niveaus. Kurz gesagt: Ein Atom kann mehrere Energieniveaus besitzen, die unterschiedlichen Energien entsprechen. Manche Elektronen kreisen auf einem niedrigen, andere auf einem hohen Energieniveau.

Heutzutage sind in Physiklehrbüchern für die Mittelstufe die Strukturmerkmale bestimmter Atome, die Regeln der Elektronenverteilung in jeder Elektronenschicht und die Anzahl der Elektronen auf verschiedenen Energieniveaus klar gekennzeichnet.

In einem atomaren System bewegen sich Elektronen im Wesentlichen in Schichten, wobei sich einige Atome auf hohen und andere auf niedrigen Energieniveaus befinden. Da Atome ständig von ihrer Umgebung (Temperatur, Elektrizität, Magnetismus) beeinflusst werden, sind Elektronen auf hohen Energieniveaus instabil und können spontan auf ein niedriges Energieniveau wechseln. Dieser Wechsel kann absorbiert werden oder spezielle Anregungseffekte hervorrufen und zu „spontaner Emission“ führen. Daher treten im atomaren System beim Übergang von Elektronen von hohen auf niedrige Energieniveaus zwei Phänomene auf: „spontane Emission“ und „stimulierte Emission“.

Bei der spontanen Strahlung sind Elektronen in hochenergetischen Zuständen instabil und wandern, beeinflusst von ihrer Umgebung (Temperatur, Elektrizität, Magnetismus), spontan in niederenergetische Zustände. Dabei wird überschüssige Energie in Form von Photonen abgestrahlt. Charakteristisch für diese Strahlung ist, dass der Übergang jedes Elektrons unabhängig und zufällig erfolgt. Die Photonen, die bei der spontanen Emission verschiedener Elektronen entstehen, unterscheiden sich. Die spontane Lichtemission ist inkohärent und streut in verschiedene Richtungen. Die spontane Strahlung weist jedoch auch Eigenschaften der Atome selbst auf, und die Spektren der spontanen Strahlung verschiedener Atome sind unterschiedlich. Dies erinnert an eine physikalische Grundregel: „Jeder Körper kann Wärme abstrahlen und elektromagnetische Wellen absorbieren und emittieren. Die von der Wärme abgestrahlten elektromagnetischen Wellen besitzen eine bestimmte spektrale Verteilung. Diese spektrale Verteilung hängt von den Eigenschaften des Körpers und seiner Temperatur ab.“ Die Ursache für die Existenz von Wärmestrahlung ist also die spontane Emission von Atomen.

Bei der stimulierten Emission wechseln Elektronen von einem hohen Energieniveau unter dem Einfluss geeigneter Photonen auf ein niedrigeres Energieniveau und emittieren dabei ein Photon mit derselben Frequenz wie das einfallende Photon. Das Besondere an der stimulierten Strahlung ist, dass die erzeugten Photonen exakt denselben Energiezustand wie die einfallenden Photonen aufweisen. Sie befinden sich in einem kohärenten Zustand. Sie haben dieselbe Frequenz und dieselbe Richtung, und es ist unmöglich, Unterschiede zwischen ihnen festzustellen. So entstehen durch eine einzige stimulierte Emission zwei identische Photonen. Dies führt zu einer Verstärkung des Lichts.

Analysieren wir nun erneut, welche Bedingungen notwendig sind, um eine immer häufigere stimulierte Strahlung zu erhalten?

Unter normalen Umständen ist die Anzahl der Elektronen in hohen Energieniveaus stets geringer als die in niedrigen. Um stimulierte Strahlung zu erzeugen, muss die Anzahl der Elektronen in hohen Energieniveaus erhöht werden. Dazu benötigt man eine „Pumpquelle“, die überschüssige Elektronen in hohe Energieniveaus anregt. Dadurch springen zu viele Elektronen aus niedrigen Energieniveaus in hohe Energieniveaus, sodass deren Anzahl die der Elektronen in niedrigen Energieniveaus übersteigt und es zu einer „Teilchenzahlumkehr“ kommt. Da die überschüssigen Elektronen in hohen Energieniveaus nur sehr kurz verweilen, springen sie wieder in niedrigere Energieniveaus zurück, wodurch die Wahrscheinlichkeit für stimulierte Strahlung steigt.

Die „Pumpquelle“ ist natürlich auf verschiedene Atome abgestimmt. Sie versetzt die Elektronen in Resonanz und ermöglicht es so mehr Elektronen niedriger Energieniveaus, auf höhere Energieniveaus zu springen. Leser können nun im Grunde verstehen, was ein Laser ist und wie er erzeugt wird. Laserlicht ist Lichtstrahlung, die durch die Atome eines Objekts unter Einwirkung einer spezifischen „Pumpquelle“ angeregt wird. Das ist Laserlicht.