Im Rahmen der Projektarbeiten sollen Entwicklungen im Bereich der Laser-Schweiß- und Schneidtechnik untersucht werden, um den derzeitigen Stand der Technik darzustellen. Hierzu soll die technische Funktionsweise beschrieben, die am Markt befindliche Lasertechnik analysiert und die verschiedenen Systeme miteinander verglichen werden. Diese Projektarbeit (Teil A) befasst sich mit der technischen Funktionsweise von Lasern. Dazu werden zunächst die dazugehörigen physikalischen Grundlagen erläutert, worauf folgend die allgemeine Funktionsweise von Lasern beschrieben wird.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Geschichtliche Entwicklung
2. Physikalische Grundlagen
2.1 Licht als Welle
2.2 Polarisation
2.3 Interferenz
2.4 Kohärenz
2.5 Bohr‘sches Atommodell
2.6 Absorption und Emission
2.6.1 Absorption
2.6.2 Spontane Emission
2.6.3 Stimulierte Emission
2.6.4 Besetzungsinversion
2.7 Linienbreite
3. Der Laser
3.1 Aufbau und Funktionsweise
3.2 Laserverstärkung
3.3 Laserarten
3.3.1 Festkörperlaser
3.3.2 Gaslaser
3.3.3 Flüssigkeitslaser
3.3.4 Halbleiter-Diodenlaser
4. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit verfolgt das Ziel, die technischen Funktionsweisen von Lasern unter Berücksichtigung ihrer physikalischen Grundlagen zu erläutern und den derzeitigen Stand der Lasertechnik in der Schweiß- und Schneidtechnik darzustellen.
- Physikalische Grundlagen der Lichtausbreitung und Wellenphänomene
- Prozesse der Absorption sowie spontanen und stimulierten Emission
- Die notwendigen Bedingungen für eine Besetzungsinversion zur Laserstrahlentstehung
- Aufbau, Funktionsweise und Verstärkungsprinzipien von Laser-Resonatoren
- Klassifizierung verschiedener Lasertypen nach ihrem aktiven Medium
Auszug aus dem Buch
2.6.3 Stimulierte Emission
Grundlage dafür, wie letztendlich im Laser der Strahl erzeugt wird, ist die stimulierte Emission. Hier befindet sich ein Elektron bereits im energetisch höheren Niveau E2. Trifft nun ein Photon mit der Energie hv12 auf das bereits angeregte Elektron, wird dieses dazu gezwungen zurück in den energetisch niedrigeren Zustand E1 zu springen. Dabei wird – ähnlich wie bei der spontanen Emission – ein neues Photon freigesetzt (Abb. 2-10). Im Gegensatz zur spontanen Emission aber strahlt dieses Photon nicht in eine beliebige Richtung ab, sondern stimmt in Richtung mit dem eingefallenen Photon überein. Als Endresultat erhält man demnach nun zwei Photonen, die nach Richtung und Frequenz übereinstimmen.
Wichtig hierbei ist, dass die Energie des einfallenden Photons weitestgehend gleich der Energiedifferent DeltaE12 der beiden Zustände E1 und E2 ist.
Analog zur Absorption ist die stimulierte Emission abhängig von der Anzahl N2 der Atome im angeregten Zustand und der spektralen Energiedichte rho(v21).
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel definiert die Aufgabenstellung der Arbeit und gibt einen historischen Überblick über die Entwicklung von Lasern, angefangen bei den ersten theoretischen Beschreibungen bis zum ersten funktionsfähigen Rubinlaser.
2. Physikalische Grundlagen: Hier werden die essenziellen physikalischen Konzepte wie Licht als elektromagnetische Welle, Polarisation, Interferenz und das Bohr'sche Atommodell behandelt, die für das Verständnis der Laserphysik notwendig sind.
3. Der Laser: Dieses Kapitel erläutert den prinzipiellen Aufbau eines Lasers, die mathematischen Bedingungen der Laserverstärkung und kategorisiert die verschiedenen Laserarten wie Festkörper-, Gas-, Flüssigkeits- und Halbleiterlaser.
4. Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die behandelten Grundlagen der Laserstrahlentstehung zusammen und rekapituliert die Funktionsweisen der vorgestellten Komponenten und Systemtypen.
Schlüsselwörter
Laser, stimulierte Emission, Lichtverstärkung, Besetzungsinversion, Resonator, Quantenphysik, Wellen-Teilchen-Dualismus, Photonen, Kohärenz, Laserschwelle, Festkörperlaser, Gaslaser, Halbleiter-Diodenlaser, Energieband, Metastabiler Zustand
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die technischen Funktionsweisen und physikalischen Grundlagen von Lasern, um ein Verständnis für deren Entstehung und Anwendung in der Technik zu vermitteln.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Zentrale Themen sind die Interaktion von Licht mit Materie, der Aufbau eines Lasers sowie die unterschiedlichen Verfahren zur Anregung und Verstärkung von Laserstrahlen.
Welches primäre Ziel verfolgt die Arbeit?
Das primäre Ziel ist die technische Darstellung und Analyse der Laserfunktion, um als theoretische Basis für die Untersuchung von Laser-Schweiß- und Schneidtechniken zu dienen.
Welche wissenschaftlichen Grundlagen werden verwendet?
Die Arbeit stützt sich primär auf die klassische Optik (Wellenmodell) sowie die Quantenphysik, insbesondere das Bohr'sche Atommodell und die Einstein-Koeffizienten zur Beschreibung von Emissionsprozessen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine detaillierte physikalische Herleitung der Laserbedingungen (Besetzungsinversion, Resonator-Feedback) und eine systematische Einteilung der Laserarten basierend auf ihrem aktiven Medium.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Begriffe wie stimulierte Emission, Besetzungsinversion, Kohärenz, Resonator und Laserschwelle sind essenziell für die inhaltliche Beschreibung dieser Arbeit.
Warum reicht das Zwei-Niveau-System nicht für einen dauerhaften Laserbetrieb aus?
Ein Zwei-Niveau-System kann keine Besetzungsinversion im thermodynamischen Gleichgewicht erreichen, da nach der Boltzmann-Verteilung immer mehr Atome im Grundzustand als im angeregten Zustand verbleiben.
Wie unterscheidet sich die stimulierte Emission von der spontanen Emission?
Bei der spontanen Emission erfolgt die Lichtabstrahlung in eine zufällige Richtung und Zeit. Bei der stimulierten Emission hingegen erzwingt ein einfallendes Photon die Abstrahlung, wobei das neue Photon in Richtung, Phase und Frequenz exakt mit dem auslösenden Photon übereinstimmt.
Welche Rolle spielt der Resonator bei der Laserstrahlentstehung?
Der Resonator dient dazu, die Lichtwellen mehrfach durch das aktive Medium zu führen, um durch konstruktive Interferenz die Verstärkung zu maximieren und einen stabilen, gebündelten Laserstrahl auszukoppeln.
- Quote paper
- Martin Faier (Author), 2018, Grundlagenrecherche und Analyse von Entwicklungen in der Laser-, Schweiß- und Schneidtechnik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/446203
