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dycho
30.11.2006, 17:33
Es war freie Auswahl und ich hab dieses thema gewählt.

Ich stells nur rein weil ich darauf eine 1 bekommen habe.

Wenn ihr die Bilder oder eine fertige PPP braucht für den Vortrag schickt mir eine PN.

Ha erster der eins reinstellt ist echt sinnvoll, aber egal es muss noch formartiet werden und einige Rechtschreibfehler ausgebessert werden.













1. Allgemeines


Alles was der Mensch bisher erfunden hat, hat er der Natur nachgemacht, alles bis auf eines den Laser. Nirgendwo hat ein Mensch schonmal einen natürlich geschaffenen Laser gefunden. Oder glauben sie, dass z.B. sowas komplexes wie der Computer kein Vorbild in der Natur hat. Dann irren sie sich gewaltig, denn die Natur hat etwas tausendfach bessers konstruiert das menschliche Gehirn. Jetzt werden sie vielleicht an Autos denken und sich sagen das hat doch die Natur nicht fertiggebracht. Auch nicht richtig denn das Auto beruht auf dem Prinzip der Energiegewinnung durch Verbrennung was die Natur ja schon einige Zeit länger kennt. Aber das Prinzip des Lasers ist nicht von der Natur abgeguckt, doch zu der Funktionsweise des Lasers erfahren sie mehr in den Kapiteln "Pyhsikalische Grundlagen" und "Aufbau des Lasers". Was kaum einer weiß, ist das Laser eine Abkürzung ist und für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"


1.1 Geschichtliches


Im Jahre 1917 schrieb Albert Einstein einige Berichte über die stimulierte Emission, der Grundlage des Lasers. 1928 gelang der erste experimentelle Nachweis der stimulierten Emission. Der erste Laser, ein Rubinlaser, wurde 1960 vom Amerikaner Theodore Maiman gebaut. Ein Jahr später wurde der erste Gaslaser von Ali Javan konstruiert. Es folgten noch Halbleiterlaser und Flüssigkeitslaser. Seit einem Jahrzehnt versucht man auch Atomlaser zu entwickeln die eine völlig neue Dimension darstellen würden. Wir wollen uns jedoch nur mit dem Feststofflaser und kurz noch mit dem Atomlaser beschäftigen.



1.2 Unterschiede von Licht und Laser


Licht Laser

-Emission in alle Richtungen -Emission in eine Richtung

-schlechte Fokusiebarkeit -gute Fokusierbarkeit

-verschiedene Wellenlängen (inkohärent) - eine Wellenlänge (kohärent)


2.1 Pyhsikalische Grundlagen

Zum Verständniss des folgenden Textes müssen die pyhsikalischen Hintergründe des Lasers erst kurz erleuchtet werden. Wie allgemein bekannt ist besteht Laser aus nichts anderem als gebündeltem Licht. Doch wir wollen die Quantentheorie und das Wellenmodell beiseite lassen und die eher verständlichen Eigenschaften des Lichs durchgehen. Wir werden nur den für Laser erforderlichen Teil durchgehen, der stimulierten Emission. Wir wollen uns nun diesem Phänomen, das gar nicht so komplex ist wie es aussieht, widmen. Wie sie wissen besizt jedes Atom ein oder mehrere Elektronen die auf einer bestimmten Bahn um das Atom fliegen. Wenn nun ein Lichtphoton auf ein Atom trifft absorbiert das Elektron das Photon und wechselt auf eine höhere Bahn, man sagt es geht auf eine höhere Energielaufbahn, wie in der Skizze zu sehen ist. Die Absorption kann allerdings nur dann stattfinden wenn, die Energie des Photons nicht höher ist als das Energieniveau der äußersten Bahm minus des Energieniveaus der aktuellen Bahn des Elektron. Nun allerdings lässt sich dieser Vorgang auch umkehren, dies nennt man dann Emission.
Es gibt allerdings vwei Arten von Emissionen die spontane und die stimulierte Emission. Bei beiden Arten existiert die selbe Ausgangslage, das Elektron ist auf einem hohen Energieniveau. Das Elektron kann sich allerdings nicht lange auf der äußeren Bahn halten. Deshalb gibt es nach einiger Zeit einen Teil der Energie in Form von Photonen in alle Richtungen ab und das Elektron springt auf eine innere Bahn zurück. Die stimulierte Emission funktioniert etwas anders. Die Ausgangslage ist jedoch identisch, nur trifft hier wieder ein Photon auf das Atom, diesmal wird es jedoch nicht absorpiert sondern mit der Energie vorheriger Photonen verstärkt. Dabei springt das Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau. Dabei ist das ausgesendete Photon identisch mit dem eintreffenden. Dass waren jetzt schon die Grundlagen und wir wollen uns nun den Aufbau eines Feststofflasers anschauen.





2.2 Aubau eines Lasers


Die verschiedenen Lasertypen: Feststofflaser, Halbleiterlaser, Gaslaser, Flüssigkeitslaser und Elektronenlaser sehen vollkommen unterschiedlich aus. Jedoch basieren sie alle auf dem selben Prinzip. Dieses wollen wir anhand eines Feststofflasers des simpelsten Laser erklären. Das Herzstück des Lasers ist das Laseraktive Material das aus Neodym oder Rubin enthaltenden Kristallen oder Gläsern besteht. Desweiteren sind an zwei gegenüberliegenden Seiten Spiegel angebracht. Der eine reflektiert alles Licht, der andere lässt das meiste Licht ( ungefähr 90% ) hindurch. An dem teildurchlässigem Spiegel tritt der Laserstrahl aus. Um das laseraktive Material herum befinden sich Energiequellen wie z.B. Xenonröhren oder Lichtbogenlampen die Energie in Richtung des laseraktiven Materials schickt, wichtig dabei ist das die Photonen die von den Energiequellen ausgehen alle die selbe Wellenlänge haben.
Deshalb eignen sich nicht alle Energiequellen auch als Pumpenergie, denn eine Glühbirne schickt zum Beispiel Licht sehr unterschiedlicher Wellenlängen aus. Außerdem wird bei thermischen Energiequellen ( Sonne, Feuer, Glühbirne) die Energie in alle Richtung gesendet, während es nur beim laseraktiven Material benötigt wird.





2.3 Funktionsweise eines Lasers

Man nehme an das laseraktive Material ist unser Atom aus dem vorangegegangenen Kapitel. Die Pumpenergie ist das Photon das absorpiert wird und das Atom auflädt. Das Elektron wandert auf eine höhere Energielaufbahn. Nun allerdings weist das Atom eine Affinität dazu in den kleinstmöglichen Energiezustand zu gelangen auf. Deshalb springt das Elektron nach einer Zeit auf eine innere Bahn zurück. Dies ist die spontane Emission und die Atome geben Photonen ab, die sich in zufällige Richtungen fortbewegen.
Die meisten dieser Photonen prallen gegen die Wände, werden absorpiert und sind von keinerlei Bedeutung mehr für uns. Sobald jedoch ein Photon frontal auf Spiegel 1 trifft wird er zurückreflektiert und fliegt durch das laseraktive Material. Dabei wird wird das Photon verstärkt das es alle aufgeladenen Atome dazu stimuliert weitere Photonen abzugeben die ihm folgen. Dabei sind die abgegebenen Photonen identisch mit dem einfliegenden. Wenn sie nun auf Spiegel 2 treffen geht ein Teil der Photonen hindurch, und wird für uns als Laserstrahl erkennbar, der Rest wird zurückreflektiert und weiter verstärkt, von Spiegel 1 reflektiert dann vom laseraktiven Material verstärkt und schließlich wieder zum Teil bei Spiegel 2 austritt. So geht das bis die Pumpenenergie ausgeschaltet wird. Allerdings muss man sich diese Photonen nicht als eine Kugel vorstellen die hin und her flitzt und ab und zu austritt, sondern als einen kontinuierlichen Strahl.








3.1 Anwendungsbereiche

Wie viele Erfindungen die unser Leben leichter gemacht haben gäbe es ohne Laser nicht? Wissen sie es? Eins ist klar Laser ist für uns unentbehrlich geworden. Ob nun in der Medizin um schädliches Gewebe zu entfernen, oder auf der Baustelle um große Distanzen zu messen, in der Industrie um verschleißfrei Metalle und Kunststoffe zu schneiden, in der Raumfahrt um Informationen von Satelliten zu empfangen, oder, oder, oder. Sie sehen Laser finden in allen Bereichen unseres Leben eine Rolle. Denn Laser kann nicht nur schneiden, nein mittels Laser werden auch Informationen weitergeleitet, die Oberflächen auf kleinste Unebenheiten untersucht worauf das Prinzip der CD-Laufwerke basiert. Denn bei CDs werden auch mittels Laser winzige Einschneidungen in die CD-Oberfläche graviert die dann jedes mal abgetastet werden. Ja, sogar in das Gebiet der Kunst hat der Laser schon Einzug gehalten. Zum Beispiel werden feine Gravuren auf Gläsern mittels schwachen Lasern erzeugt. Auch das Militär hat den Nutzen von Lasern längst erkannt. Nein, ich meine damit keine futuristischen Superwaffen die mittels Laserstrahlung ganze Städte explodieren lassen, was nebenbei nach heutigen Erkenntnissen nicht möglich ist, wie es in manchen Filmen zu sehen ist. Damit gemeint sind lasergestützte Raketenabwehrsysteme und unbemannte Drohnen. Leider arbeitet man auch daran mittels Halbleiterlasern noch zersörerische Nuklearwaffwen herzustellen. Die übrigens auch zum Teil auf dem Prinzip der stimulierten Emission basieren.


3.2 Schneiden mit Laser


Der Hauptanwendungsbereich des Lasers in der Industrie ist das Schneiden. Um die Effizienz zu steigern wird der Laserstrahl nochmals fokussiert. Dies funktioniert durch die Krümmung des Spiegels wo der Laser austritt. Durch die Fokussierung wird das gesamte Licht auf einen einzigen Punkt konzentriert, den Fokus. Dadurch erreicht man eine enorme Leistungssteigerung, dies ist besonders bei Materialien die eine hohe Wärmeleitfähigleit aufweisen äußerst nützlich. Der Nachteil bei der Fokussierung ist allerings das während des Brennvorgangs der Laser je nach Tiefe des Materials der Laser auch in die Höhe und Tiefe und nicht nur seitwärts bewegt werden muss. Das Material wird wie wohl allgemein bekannt ist durch Temperatursteigerung geschmolzen. Durch die Fokussierung werden nur wenige Zehntel Milimeter Material weggeschmolzen was die Materialkosten senkt, dies ist ein Vorteil der vor allem in Zeiten des Rohstoffmangels nicht zu unterschätzen ist. Der aufmerksame Leser wird sich jedoch fragen, aber was ist mit dem das weggeschmolzen wurde könnte es nicht sein das Reste an dem geschnittenen Produkt kleben bleiben oder zur Erde fallen. Nun dies ist ein Problem welches bereits gelöst wurde winzige Mengen von Edelgasen werden mit den Lasern ausgesendet und binden den beim Schneiden anfallenden Abfall.
Aber ein weiteres Problem ist mit dem Fortschritt der Hightech Industrie aufgetreten. Selbst durch Fokussierung ist es nicht möglich die Hundertstelmilimeter großen Feinheiten eines Mikrochips genau zu konstruieren. Erschwerend kommt noch hinzu das durch die unvermeidliche Erwärmung des laseraktiven Materials weitere Ungenauigkeiten entstehen.
Doch sie ahnen das auch hierfür bereits eine Lösung gefunden wurde. man benutzt Glasfasern um die vom erwärmten Lasermaterial ungenau ausgestoßenen Strahlen zurückzusenden. Dadurch wurde ein Fokusdurchmesser von nur wenigen Mikrometern erreicht.



4. Neueste Entwickelung

In jüngster Zeit versucht man einen völlig neuen Typus Laser zu entwickeln. Einen sogenannten Atom-Laser. Hierbei handelt es sich eigentlich nicht mehr um einen Laser denn statt einen Laserstrahl zu erzeugen wird ein Strahl losgesschickt der aus Materie besteht. Mehrere Teams aus verschiedenen Nationen arbeiten seit fast einem Jahrzehnt daran. Den einzigen den es bisher gelungen ist einen Materiestrahl herzustellen sind sie Deutschen und die Amerikaner. Sie fingen mittels einer extrem komplizierten Magnetkonstruktion ein Gas ein und kühlten es auf wenige Millionstel- Grad über dem absoluten Nullpunkt ( -273,15 °C ) ab. Dabei verlieren die Atome ihre Identität d.h. alle Atome werden gleich egal ob sie vorher Sauerstoff oder Helium oder sonst irgendwas waren. Dann wurde mittels von Radiowellen der Magnetkäfig durchbohrt und die entweichenden Atome bildeten unter Einfluß der Gravitation und im Vakuum einen Materiestrahl. Aber noch ist fraglich ob solch ein Laser nicht einen zu hohen Aufwand darstellt und sich deshalb nicht rechnet. Auf jedenfall gibt es schon eine Menge Anwendungsbereiche für einen solchen Laser. Denn man könnte damit noch viel leistungstärkere Mikrochips herstellen.


5. Irrtümer


Wer hat noch nicht "Star Wars" gesehen, und sich dabei gedacht wie toll es doch wäre, wenn man auch so ein Lichtschwert hätte mit dem diese Leute dort rumfuchteln. Vergessen sie es, denn Lichtschwerter sind nach unseren Naturgesetzen und Einsteins Relativitätstheorie nicht möglich. Nun gut es wäre schon möglich das man ein anderthalb Meter langes Lichtschwert in der Hand hält und der Laserstrahl nicht in das Unendliche fliegt, wenn man an der Spitze eine reflektierende Platte anbringt. Aber die muss ja mit dem Griff verbunden sein, und die einzige praktische Lösung wäre es die Platte durch einen Stab mit dem Griff zu verbinden. Leider ist da ja noch das Problem, dass man die Lichtschwerter einfach gegeneinader schlagen kann wie Stöcke. Tut mir leid liebe Star Wars-Fans das ist absolut unmöglich. George Lucas hätte in den Anfangstext noch dazuschreiben sollen dass damals andere Naturgesetzte galten.










Definitionen

Absoluter Nullpunkt: Niedrigster theoretisch möglicher Temperaturpunkt bei dem die
Bewegung der Atome und Elektronen 0 ist. Er liegt bei -273,15°C oder
0 Kelvin.

Elektron: Elektronen sind winzige Kugeln die um Atome in bestimmten Bahnen
herumschwirren.

Fokus: Fokus ist griechisch und bedeutet Brennpunkt. Es ist der Punkt an dem sich alle
Lichtstrahlen treffen.

Lichtbogen: Phänomen das entsteht wenn zwei Kohlestäbe aneinander gehalten werden
ein Strom von 10 Ampere durchgeleitet wird und die Stäbe dann getrennt
werden ensteht ein leuchtender Bogen zwischen den Kohlestäben der bis zu
3500°C heiß werden kann.

Photon: Kleinstes Energieteilchen, in der Quantentheorie der Bestandteil von Licht.

Wellenlänge: Nach dem Wellentheorie besteht Licht aus Schwingungen und der einzelne
Abstand zwischen den Wellen ist die Wellenlänge.

Xenonröhre: Funktioniert wie die Neonröhre nur das statt dem Neongas das Xenongas
leuchtet.

juke*
30.11.2006, 18:45
Elektron: Elektronen sind winzige Kugeln die um Atome in bestimmten Bahnen
herumschwirren.


ich glaube jeder physiker und/oder chemiker würde dich für diese aussage k.o. schlagen

ein elektron befindet sich im sogenannten welle/teilchen dualismus. das heisst ein elektron ist sowohl eine masselose welle als auch ein teilchen mit bestimmbarer masse.
desweiteren haben sie keine räumliche ausdehnung.

ausserdem schwirren elektronen nicht in bahnen um ein atom.
die elektronen befinden sich in einem orbital. ein orbital ist eine stehende raum-zeit-wahrscheinlichkeitswelle und gibt den ort an, an dem sich ein elektron zu 99% iger wahrscheinlichkeit aufhält. man kann aber den genauen ort nicht definieren, denn...ein elektron ist auch eine welle. es kann zur gleichen zeit(und jetzt wird es SCHEMATISCH!!!) links und rechts vom atomkern sein ;)