VL 1 - Übung Flashcards
Kohärenz
Mit dem Begriff Kohärenz wird beschrieben, wieweit die elektrische Feldstärke in einem realen Wellenfeld mit statistisch schwankender Amplitude und Phase an verschiedenen Punkten oder zu verschiedenen Zeiten zusammenhängt/ korreliert ist und damit einer idealen Welle mit definierter Amplitude und Phase nahekommt. Eine ideale ebene/Kugelwelle wird als kohärent bezeichnet.
Wichtig:
- Kohärenzeigenschaften von Licht (vor allem bei Interferenzanordnungen)
- Mit kohärentem Licht können Interferenzeffekte (konstruktive Überlagerung und Auslöschung) beobachtet werden, während bei
inkohärentem Licht keine Interferenzen auftreten und sich die Intensitäten additiv überlagern
Entstehung von polarisierter Strahlung
Eine Transversalwelle ist durch zwei Richtungen charakterisiert:
Den Wellenvektor, der in
Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor, der bei Transversalwellen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Freiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Zeigt der Feldvektor nicht in eine beliebige Richtung, liegt eine Polarisation vor.
Polarisierbarkeit - Arten/Sonderfälle
- Lineare Polarisation:
Der Feldvektor zeigt immer in eine feste Richtung (bzw. die Gegenrichtung dazu) und ändert bei Voranschreiten der Welle seinen Betrag periodisch mit einer vorgegeben Amplitude. - Zirkulare Polarisation:
Der Feldvektor dreht sich bei Voranschreiten der Welle mit konstanter
Winkelgeschwindigkeit um den Wellenvektor und ändert seinen Betrag dabei nicht. - Elliptische Polarisation:
Der Feldvektor rotiert um den Wellenvektor und ändert dabei periodisch den Betrag. Die Spitze des Feldvektors beschreibt dabei eine Ellipse.
Lineare und zirkulare Polarisation können auch als Grenzfall der elliptischen Polarisation aufgefasst
werden. Beim Laser kann bereits während der Anregung im Resonator eine Polarisation erzeugt werden.
Was ist Licht?
Elektromagnetische Welle in der klassischen Elektrodynamik, Veranschaulichung als
„Strahlenoptik“ unter Vernachlässigung von Beugungsphänomenen; Quantenobjekt (Photon) in
der Quantenphysik.
Charakteristische Größen von Licht
Bereiche der Optik:
- Geometrische Optik,
- Wellenoptik,
Charakteristische Größen:
- Wellenlänge,
- Richtung,
- Kohärenz,
- Polarisation.
Wie entsteht Licht bei einem thermischen Strahler?
- Nur aufgrund von Wärme,
- Einzelereignisse, die unabhängig voneinander sind,
• Kontinuierliches Spektrum
(Plancksches
Strahlungsgesetz; Temperaturstrahlung)
• Thermische Besetzung der
Energiezustände (Boltzmann-Gesetz, Wiensche Verschiebungsgesetz λ∝1/T)
Unterschied: Laser vs thermische Quellen
Laser:
- Laserresonator legt eine Vorzugsrichtung der Lichtemission fest,
- Laser emittiert Strahlung innerhalb eines bestimmten
Divergenzwinkels entlang der so definierten Ausbreitungsrichtung,
- Divergenzwinkel des Strahls hängt von der Strahlqualität des Lasers ab.
Thermisch:
- Einzelatom emittiert Strahlung in alle Raumrichtungen,
- Betrachtet man ein
Ensemble aus vielen Atomen (Körper), so breitet sich thermische Strahlung von
jedem Punkt der Oberfläche dieses Körpers unabhängig in den Halbraum über der Oberfläche aus.
Ursachen: Frequenzspektrum Lasers
• Diskrete, nahezu monochromatische
Emissionslinien,
• Nur bei wenigen Übergängen findet eine
effektive stimulierte Emission statt (Laserlinien),
• Frequenzselektion durch den Resonator
(Resonanzfrequenzen) mit sehr geringen Linienbreiten.
Die nichtlineare Verstärkung verringert die Linienbreite des Resonators nochmals.
Weshalb ist Laserstrahlung für die optische Messtechnik besser geeignet?
Messtechnik und Kohärenz:
Nahezu alle messtechnischen Aufgabenstellungen (Interferometrie, Längen- oder Abstandsmessung u. ä.) basieren auf Interferenzeffekten. Interferenz kann nur beobachtet werden, wenn ein einzelner Wellenzug aufgespalten und zeitversetzt mit sich selbst überlagert
wird. Daher werden Wellenzüge mit ausreichender Länge, d. h. Strahlung hoher Kohärenz,
benötigt. Im Laser sind die einzelnen atomaren Emissionsprozesse stark korreliert, so dass ein
zusammenhängender Wellenzug konstanter Frequenz und großer Länge entsteht (Kohärenz-
länge). Thermisches Licht hingegen entsteht aus zahlreichen unkorrelierten Emissionsvorgängen
und besteht aus vielen, unabhängig überlagerten Wellenzügen. Die Kohärenzlänge ist daher
sehr klein, und Interferenzeffekte können nur in Ausnahmefällen beobachtet werden.
Unterschied: spontaner vs stimulierter Emission
Bei spontaner Emission geht das Atom ohne äußere Anregung in einen niedrigeren Energiezustand über und emittiert ein Lichtquant beliebiger Ausbreitungsrichtung und Polarisation.
Bei stimulierter oder induzierter Emission wird der Übergang durch ein eingestrahltes Lichtquant passender Frequenz (h⋅ν = E2−E1) ausgelöst, wobei das emittierte Lichtquant die gleiche Ausbreitungsrichtung, Phase und Polarisation hat.
Zustandekommen der Lichtverstärkung im Lasermedium + Voraussetzung
- Um in einer Laserstrahlquelle Licht verstärken zu können, muss das aktive Medium ein
metastabiles Energieniveau aufweisen, - In einem solchen Energieniveau ist die Übergangswahrscheinlichkeit bei spontaner Emission gering,
- Der Übergang hat lange Zeitkonstanten im Vergleich zu benachbarten Übergängen,
- Es ist möglich, einen Inversionszustand bzw. eine Besetzungsinversion zu erzeugen,
- Der Inversionszustand wird durch Energiezufuhr von außen erzeugt,
- Es müssen mehr Atome im oberen als im unteren Energieniveau vorliegen.
Wirkung: Kühlen des Lasermediums
Durch das Kühlen des Laserniveaus reduziert sich die thermische Besetzung des unteren Laserniveaus. Dies erleichtert die Herstellung eines Inversionszustandes zwischen oberem und unterem Laserniveau.
Wozu dient der Laserresonator?
Um in einer Laserstrahlquelle Licht verstärken zu können, muss das aktive Medium ein
metastabiles Energieniveau aufweisen. In einem solchen Energieniveau ist die
Übergangswahrscheinlichkeit bei spontaner Emission gering (der Übergang hat lange
Zeitkonstanten im Vergleich zu benachbarten Übergängen), d. h. es ist möglich, einen
Inversionszustand bzw. eine Besetzungsinversion zu erzeugen.
Im Resonator wird durch die Rückkopplung das aktive Medium vielmals durchlaufen. Dies führt zu einer Frequenz- und Winkelselektion der emittierten Strahlung.
Unterschied: Strahlung mit und Ohne Resenator
Strahlung ohne Resonator:
- isotrop in alle Raumrichtungen,
- keine Rückkopplung, daher wenig stimulierte, sondern spontane Emission,
- inkohärent, da keine Phasenbeziehung.
Strahlung mit Resonator:
- stark gerichtet,
- aufgrund der Frequenzbedingung: nahezu monochromatische Strahlung
- aufgrund der Rückkopplung: Selbsterregung und stimulierte Emission,
- kohärent.
Übergang von spontaner Emission zum stationären Laserbetrieb
Der Übergang von spontaner Emission zum stationären Lasersbetrieb,
d. h. das Anschwingen
des Lasers, vollzieht sich in mehreren Phasen.
- Phase 1: Spontane Emission in alle Raumrichtungen,
- Phase 2: Verstärkung durch das aktive Medium,
- Phase 3: Rückkopplung durch den Resonator,
