Laser und Glasfaser: Funktionsweise

Grundlagen der Laseremission

Atome tendieren dazu, ihren Grundzustand beizubehalten. In einem angeregten Atom zerfallen Elektronen und emittieren spontan Photonen.

Was passiert, wenn ein Elektron bereits angeregt ist?

Wenn ein Elektron bereits in einer höheren Umlaufbahn oder in einem angeregten Zustand ist, könnte man annehmen, dass es sich in eine noch höhere Umlaufbahn bewegen würde. Dies ist jedoch nicht immer der Fall.

Erzeugung der Besetzungsinversion

Die Natur strebt ein thermodynamisches Gleichgewicht an. Atome und Moleküle versuchen, den Zustand niedrigster Energie zu erreichen. Durch Pumpen mit der benötigten Energie können einige Atome oder Moleküle in einen angeregten Zustand versetzt werden.

Einige durch spontane Emission erzeugte Photonen gehen verloren, während andere stimulierte Emissionen erzeugen.

Die Geburt des Lasers

Im Jahr 1960 verwendete Theodore H. Maiman einen Rubinstab, dessen Flächen mit Silber beschichtet waren, um als Spiegel zu fungieren. So wurde der erste LASER geboren. Die Bestimmung, welche Stoffe eine Besetzungsinversion erzeugen können, ist der zentrale Schritt bei der Entwicklung neuer Laser.

In einem Rubinlaser wird der Stab mit Licht einer Xenon-Lampe bestrahlt. Das Licht der grünen und blauen Bereiche des Spektrums wird von Chrom-Ionen absorbiert, wodurch die Energie der Elektronen von ihrem Grundzustand auf eines der Bänder der F-Ebenen erhöht wird.

Wechselwirkung von Licht mit Materie

Objekte können in drei Klassen eingeteilt werden, je nachdem, wie sie mit Licht interagieren:

• Transparente Objekte (z.B. Glas): Übertragen Licht.
• Opake Objekte (z.B. Stein): Absorbieren Licht.
• Reflektierende Objekte (z.B. Spiegel): Reflektieren Licht.

Kein Objekt ist vollkommen transparent, opak oder reflektierend. Viele Objekte übertragen geringe Mengen an Licht, auch wenn sie opak erscheinen. Jedes Objekt reflektiert etwas Licht, selbst solche, die schwarz erscheinen. Ebenso absorbiert jedes Objekt etwas Licht, selbst scheinbar perfekte Spiegel.

Unterschiede zwischen Laserlicht und gewöhnlichem Licht:

• Monochromatisch
• Direktional
• Kohärent

Glasfaser: Funktionsweise und Anwendungen

Glasfaser ist ein Übertragungsmedium, das häufig in Datennetzen verwendet wird. Es handelt sich um einen sehr feinen Faden aus transparentem Material (Glas oder Kunststoff), durch den Lichtimpulse gesendet werden. Der Lichtstrahl wird vollständig in der Faser eingeschlossen und breitet sich durch den Faserkern aus, wobei er in einem Winkel reflektiert wird, der über dem Grenzwinkel der Totalreflexion liegt (Snellius'sches Gesetz). Die Lichtquelle kann ein Laser oder eine LED sein.

Anwendungen in der Telekommunikation

Glasfasern werden häufig in der Telekommunikation verwendet, da sie große Datenmengen über große Entfernungen mit hohen Geschwindigkeiten übertragen können, ähnlich wie Funk oder Kabel. Sie sind immun gegen elektromagnetische Interferenzen und werden auch in lokalen Netzwerken eingesetzt.