Certes Einstein avait prévu le phénomène d’émission stimulée dès 1927, mais il a fallu attendre jusqu’en 1960 pour que la première réalisation du laser puisse voir le jour. Ce fut sous la forme du maser optique à rubis construit par Maiman. Environ cinquante ans après leur découverte, les lasers se révèlent toujours un axe de recherche à la fois prometteur et actif dont les applications sont de plus en plus pertinentes et de grand intérêt.
Ceci a constitué la motivation principale qui nous a incité à rédiger ce manuel de cours qui s’articule autour des fondamentaux du laser. Nous nous sommes attachés à présenter un contenu simple qui met en relief les notions élémentaires de la physique du laser sans renter dans des détails complexes qui risquent de nuire au message principal que nous voulons transmettre essentiellement aux étudiants débutants en l’occurrence ceux de la licence. Ainsi, nous avons évité les calculs fastidieux qui caractérisent en général des formalismes mathématiques laborieux. Notre démarche consiste donc à vulgariser la présentation de ce cours afin qu’il soit facile d’accès.
En bref, ce manuel offre le tout premier contact avec les propriétés du laser et ouvre la voie pour approfondir amplement ses connaissances à ce sujet.
Le chapitre 1 est dédié à des généralités au sujet de la lumière laser.
Le chapitre 2 présente les mécanismes d’émission spontanée, d’absorption et d’émission stimulée.
Dans le Chapitre 3, nous focalisons l’intérêt sur le principe de base du laser.
Le Chapitre 4 décortique chacun des éléments qui constituent le dispositif laser.
Le Chapitre 5 donne et explique la nature mathématique du faisceau laser en mettant en relief les propriétés de son extension spatiale.
Dans le Chapitre 6, il est question de passer en revue les différents types des lasers.
Enfin, le Chapitre 7 est consacré à la présentation de quelques applications des lasers.
Mots clés: Laser; Emission stimulée; Principe de fonctionnement; Caractéristiques du dispositif laser, Faisceau gaussien; Types du laser; Applications.
Inhaltsverzeichnis
- Kapitel 1: Allgemeines über Laserlicht
- 1.1 Monochromatische Quelle
- 1.1.1 Einführung
- 1.1.2 Wellenlängenbereiche
- 1.2 Reale Quelle
- 1.3 Bedeutung des Wortes LASER
- 1.4 Eigenschaften des Laserstrahls
- 1.5 Vorteile des Lasers
- 1.6 Lasermodi
- Kapitel 2: Mechanismen der Emission und Absorption
- 2.1 Boltzmann-Gesetz im thermodynamischen Gleichgewicht
- 2.2 Absorptions- und Emissionsmechanismen
- Kapitel 3: Grundprinzip des Lasers
- 3.1 Problemstellung
- 3.2 Beteiligte Prozesse
- 3.3 Funktionsprinzip des Lasers
- 3.4 Zusammenfassung
- Kapitel 4: Eigenschaften der Laseranordnung
- 4.1 Pumpsystem
- 4.2 Aktives Medium
- 4.3 Optischer Resonator
- 4.4 Synthetische Bilanz
- 4.5 Arten von Resonatoren
- Kapitel 5: Gaußscher Strahl
- 5.1 Einführung
- 5.2 Parameter eines Gaußschen Strahls
- 5.3 Intensität eines Gaußschen Strahls
- Kapitel 6: Überblick über die verschiedenen Lasertypen
- 6.1 Einführung
- 6.2 Festkörperlaser
- 6.3 Gaslaser
- 6.4 Halbleiterlaser
- 6.5 Faserlaser
- 6.6 Farbstofflaser
- 6.7 Freie-Elektronen-Laser
- Kapitel 7: Einige Anwendungen von Lasern
- 7.1 Diffraktometrie
- 7.2 Energieanwendungen
- 7.3 Anwendungen in der Informationsübertragung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Dieses Lehrbuch bietet eine Einführung in die Grundlagen der Laserphysik. Es zielt darauf ab, Studenten ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise von Lasern zu vermitteln, ohne dabei in komplexe mathematische Details einzugehen. Der Fokus liegt auf einer verständlichen Darstellung der Kernkonzepte.
- Funktionsweise von Lasern
- Licht-Materie-Wechselwirkungen (Absorption, spontane und stimulierte Emission)
- Aufbau und Eigenschaften von Lasern
- Charakteristika des Laserstrahls
- Anwendungen von Lasern
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1: Allgemeines über Laserlicht: Dieses Kapitel liefert eine Einführung in die grundlegenden Eigenschaften von Laserlicht. Es werden die Begriffe monochromatische Quelle, reale Quelle und die Bedeutung der Abkürzung LASER erläutert. Die besonderen Eigenschaften des Laserstrahls wie seine hohe Intensität, Monochromatizität und Direktionalität werden hervorgehoben, ebenso wie die daraus resultierenden Vorteile und Kompromisse zwischen diesen Eigenschaften. Abschließend werden die verschiedenen Lasermodi kurz angerissen.
Kapitel 2: Mechanismen der Emission und Absorption: Hier werden die fundamentalen physikalischen Prozesse der Lichtemission und -absorption erklärt, wobei das Boltzmann-Gesetz im thermodynamischen Gleichgewicht als Grundlage dient. Die Kapitel beschreibt detailliert die Mechanismen der spontanen Emission, Absorption und der stimulierten Emission, welche für das Funktionsprinzip des Lasers essentiell sind. Die Erklärungen legen den Fokus auf das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf atomarer Ebene.
Kapitel 3: Grundprinzip des Lasers: Dieses Kapitel erklärt das grundlegende Funktionsprinzip des Lasers. Es beschreibt die notwendigen Bedingungen für die Erzeugung von Laserlicht, die die Population Inversion und den optischen Resonator beinhaltet. Die Prozesse der stimulierten Emission und der Verstärkung des Lichtes im aktiven Medium werden ausführlich erläutert, um das Verständnis des Laserprinzips zu festigen. Die Kapitel schließt mit einer kurzen Zusammenfassung der wichtigsten Punkte.
Kapitel 4: Eigenschaften der Laseranordnung: Dieses Kapitel beschreibt die einzelnen Komponenten einer Laseranordnung im Detail. Es wird das Pumpsystem, das aktive Medium mit seinen Eigenschaften (Eigenfrequenz, Bandbreite, Verstärkung), und der optische Resonator untersucht. Die Bedeutung der verschiedenen Parameter für die Leistung und Eigenschaften des Lasers wird ausführlich erklärt. Verschiedene Resonatortypen werden ebenfalls vorgestellt.
Kapitel 5: Gaußscher Strahl: Das Kapitel konzentriert sich auf die mathematische Beschreibung eines Gaußschen Strahls, einer weit verbreiteten Laserstrahlform. Es definiert wichtige Parameter wie Strahldurchmesser, Rayleigh-Länge, Krümmungsradius und Divergenz und erklärt deren Bedeutung für die Ausbreitung des Laserstrahls. Die Intensitätsverteilung des Gaußschen Strahls wird ebenfalls detailliert behandelt.
Kapitel 6: Überblick über die verschiedenen Lasertypen: In diesem Kapitel werden verschiedene Lasertypen wie Festkörperlaser, Gaslaser, Halbleiterlaser, Faserlaser, Farbstofflaser und Freie-Elektronen-Laser vorgestellt und verglichen. Für jeden Typ werden das aktive Medium, die Emissionswellenlänge und wichtige Anwendungen beschrieben. Der Fokus liegt auf den Unterschieden in den aktiven Medien und den daraus resultierenden Eigenschaften der jeweiligen Laser.
Schlüsselwörter
Laser, stimulierte Emission, spontane Emission, Absorption, optischer Resonator, aktives Medium, Gaußscher Strahl, Lasertypen, Laseranwendungen, Wellenlänge, Intensität, Monochromatizität, Direktionalität.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zum Lehrbuch: Laserphysik
Was ist der Inhalt des Lehrbuchs "Laserphysik"?
Das Lehrbuch bietet eine umfassende Einführung in die Grundlagen der Laserphysik. Es beinhaltet ein Inhaltsverzeichnis, die Zielsetzung und Themenschwerpunkte, Zusammenfassungen der einzelnen Kapitel und ein Glossar mit Schlüsselbegriffen. Der Fokus liegt auf einem verständlichen Verständnis der Kernkonzepte, ohne tief in komplexe mathematische Details einzugehen.
Welche Kapitel umfasst das Lehrbuch?
Das Lehrbuch gliedert sich in sieben Kapitel: Kapitel 1 behandelt Allgemeines über Laserlicht; Kapitel 2 erklärt die Mechanismen der Emission und Absorption; Kapitel 3 beschreibt das Grundprinzip des Lasers; Kapitel 4 befasst sich mit den Eigenschaften der Laseranordnung; Kapitel 5 konzentriert sich auf den Gaußschen Strahl; Kapitel 6 gibt einen Überblick über verschiedene Lasertypen; und Kapitel 7 präsentiert einige Anwendungen von Lasern.
Welche Themen werden im Lehrbuch behandelt?
Die zentralen Themen sind die Funktionsweise von Lasern, Licht-Materie-Wechselwirkungen (Absorption, spontane und stimulierte Emission), der Aufbau und die Eigenschaften von Lasern, die Charakteristika des Laserstrahls sowie verschiedene Anwendungen von Lasern. Es werden verschiedene Lasertypen wie Festkörperlaser, Gaslaser, Halbleiterlaser, Faserlaser, Farbstofflaser und Freie-Elektronen-Laser behandelt.
Welche Zielsetzung verfolgt das Lehrbuch?
Das Lehrbuch zielt darauf ab, Studierenden ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise von Lasern zu vermitteln. Es soll die Kernkonzepte auf verständliche Weise erklären, ohne in komplexe mathematische Formeln einzugehen.
Welche Schlüsselbegriffe werden im Lehrbuch verwendet?
Wichtige Schlüsselbegriffe sind Laser, stimulierte Emission, spontane Emission, Absorption, optischer Resonator, aktives Medium, Gaußscher Strahl, Lasertypen, Laseranwendungen, Wellenlänge, Intensität, Monochromatizität und Direktionalität.
Wie sind die Kapitel aufgebaut?
Jedes Kapitel beginnt mit einer Einführung in das jeweilige Thema und endet mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Punkte. Die Kapitel bauen aufeinander auf, wobei grundlegende Konzepte zunächst erläutert werden, bevor komplexere Aspekte behandelt werden. Die Kapitel enthalten Unterkapitel mit detaillierten Erklärungen und Abbildungen (obwohl diese im vorliegenden HTML-Code nicht explizit dargestellt sind).
Für wen ist dieses Lehrbuch geeignet?
Das Lehrbuch ist für Studierende konzipiert, die eine Einführung in die Grundlagen der Laserphysik benötigen. Es eignet sich besonders für diejenigen, die ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise von Lasern auf verständliche Weise erlangen möchten, ohne tief in mathematische Details einzusteigen.
Wo finde ich detaillierte Informationen zu den einzelnen Kapiteln?
Das bereitgestellte HTML-Dokument enthält detaillierte Zusammenfassungen für jedes der sieben Kapitel. Diese Zusammenfassungen beschreiben den Inhalt und die behandelten Themen jedes Kapitels.
- Quote paper
- Nabil Safta (Author), 2014, Les fondamentaux du laser, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/375157
