[Musik]
Unser Intro ist noch mehr Laser geworden. Kann man Laser steigern? Na ja, ist auch egal. Hallo Knut!
Hallo Sven! Moin!
Was war denn das für ein abgefahrener Soundeffekt an unserem Intro?
Ja, ich hab was mit der Stimme.
Ein Vocoder-Paddle hast du mit der Stimme.
Ich hab ein Vocoder-Paddle verschluckt.
Ich hab ein Vocoder-Paddle.
Ein Vocoder-Paddle für die Gitarre.
Da geht das Gitarrensignal rein und da geht ein Mikrofon-Signal rein.
Das Signal des Mikrofons moduliert auf verschiedenen Frequenzkanälen die Gitarre.
Und das wussten schon die Musiker in den 70ern, dass das funky ist.
Talkbox heißt das auch.
Ja, wenn sich Elektrotechnik, Musik und Physik treffen, dann ist vor Laser.
Ja, eigentlich wollen wir heute über was ganz anderes reden, nämlich über die Besetzungsinversion.
Das ist so die eine wichtige Grundlage, die man kennen muss oder was man schon mal gehört haben muss, über die wir noch nicht besprochen haben.
Deswegen machen wir das heute.
Genau, das Ziel ist ja am Ende, dass wir die Prozesse und aktuelle Forschung besprechen von diversen Fertigungsverfahren, die man mit dem Laser durchführen kann.
Und dafür müssen wir natürlich auch die Laser kennen, weil wir die Laser-Strahlquellen auswählen für unsere verschiedenen Prozesse.
Und damit wir die Laser verstehen, müssen wir noch einmal in dieses Laserprinzip reingucken.
Das beeinflusst am Ende auch wieder die Strahlqualität, Wellenlänge und all diese Dinge, die wir gehört haben.
Aber heute gucken wir sozusagen unter die Motorhaube und machen mal den Zylinderkopf ab und gucken mal eigentlich dann noch mit dem Elektronenmikroskop rein, was da los ist in der Brennkammer des Lasers.
Ja, das Thema heißt Besetzungsinversion und dafür müssen wir glaube ich erstmal darüber sprechen, was da überhaupt besetzt wird.
Die Vorlesungsräume sind es nicht, zumindest gerade nicht, weil es ja Corona ist.
Aber stellen wir uns mal ganz dumm. Am Ende muss das Licht irgendwo herkommen.
Und damit das Licht irgendwo herkommt, Energie ist ja eine Erhaltungsgröße, also Energie kann nicht erschaffen werden oder nicht vernichtet werden, sondern nur gewandelt werden.
Und damit die Energie erzeugt werden kann, um einen Photon zu generieren, ein Lichtquant, muss die Position, also in der Regel ist es eine Veränderung der Position eines Elektrons in einer Elektronenschalenkonfiguration.
Wir alle haben ja mal in der Schule gelernt, das Borsche Atommodell, in der Mitte ist der Atomkern, außen herum gibt es die Schalen, wie so Orbits und da drauf laufen die Elektronen.
Und die fallen natürlich immer auf den möglichst niedrigsten Zustand, also sind auf dem Erd-Nasten bzw. Atomkern-Nasten-Orbit.
Und die können halt angeregt werden in höhere Orbits sozusagen, also in höhere Niveaus.
Und das hat immer mit einer Energieaufnahme zu tun und genau andersrum, wenn die Elektronen runterfallen, mit einer Energieabgabe.
Jetzt sind wir schon genau drin im Thema. Jetzt vereinfachen wir unser System mal ganz, ganz krass und gucken uns mal nur ein Elektron an.
Also wir gucken uns jetzt den einzelnen Prozess an und schauen uns an, wir haben nur zwei Niveaus.
Also ein E1 und ein E2, wenn man so will, also ein niedrig energetisches Niveau und ein hoch energetisches.
Und dann können wir im Prinzip die Möglichkeiten, die wir haben, mal durchdeklinieren.
Also was ist, wenn das Elektron unten ist? Dann passiert nichts.
Es wird nicht von alleine nach oben fliegen auf das angeregte Niveau.
Dazu bedarf es einer Anregung, also die Energie muss irgendwo herkommen.
Und das kann zum Beispiel ein Lichtquant sein. Das nennt sich die Absorption.
Also ein Lichtquant, also ein Photon. Das Photon muss eine ganz spezifische Wellenlänge haben oder eine ganz spezifische Frequenz.
Wellenlänge und Frequenz kann man über die Lichtgeschwindigkeit ineinander umrechnen.
Und die Energie des Photons ist proportional zur Frequenz. Also je höher die Frequenz, desto höher ist die Energie.
Das heißt, diese Energiedifferenz zwischen den beiden Elektronenniveaus hat schon mal mit einer Wellenlänge zu tun.
Das sehen wir schon mal, das ist auch Laser. Laser hat ja quasi eine Wellenlänge, Laserstrahlen.
Und das heißt, wir haben immer einen ganz bestimmten Übergang, weil wir in der Realität natürlich nicht zwei Niveaus haben, sondern ganz viele.
Ja, man muss auch dazu sagen, dass die ganze Geschichte mit dem Wirrigen an und dann geht Licht raus.
Das ist jetzt auch nicht laserspezifisch, sondern das haben wir an anderer Stelle auch.
Genau, das kennt man auch aus dem Chemieunterricht, dass man mit verschiedenen Elementen halt verschiedene Farben erzeugen kann.
Das hat genau mit diesen Übergängen zu tun. Aber das ist schon die Emission.
Jetzt gehen wir mal ganz sortiert durch. Also die Absorption heißt, es kommt ein Photon mit genau der richtigen Wellenlänge und trifft auf dieses Atom mit den zwei Energieniveaus.
Dann wird das Elektron angerichtet und das Photon ist weg.
So, jetzt ist das Elektron oben. Also das ist quasi die zweite Möglichkeit. Das Elektron ist im angerichten Zustand.
Dort bleibt es aber nicht für immer, denn die Natur strebt immer den energetisch niedrigsten Zustand an.
Und das Elektron wird mit der Zeit runterfallen zurück in das Grundniveau und dann einen Photon aussenden.
Und zwar eins mit genau der Wellenlänge, wie es auch absorbiert wurde. Das ist wichtig zu wissen.
Das nennt sich spontane Emission. Das passiert ganz spontan.
Dafür kann man Halbwertzeiten angeben. Also eine Zeit, nach der die Hälfte aller Atome, wenn man sich jetzt ganz viele anguckt, sich abgeregt haben, wenn man so will.
Und wenn man die Zeit nochmal verstreicht, dann ist von denen, die übrig geblieben sind, wieder die Hälfte weg und so weiter.
Und das ist die spontane Emission. Aber jetzt heißt ja Laser, das haben wir schon mehrfach besprochen,
"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Wenn das alles wäre, dann können wir kein Laser haben.
Beim Laser ist es so, dass wir eine stimulierte Emission haben.
Wenn wir nämlich das Elektron oben haben, im angerichten Zustand, und es kommt ein Photon der richtigen Wellenlänge von der einen Seite an,
dann riecht es das Elektron an, in dem Moment runterzufallen und erzeugt einen Photon, das mit dem anregenden Photon in die gleiche Richtung läuft und in Phase läuft.
Also in einem Wellenzug. Das heißt, wir haben dann auch eine gerichtete Möglichkeit, denn die spontane Emission ist in irgendeine Richtung.
Das kann man überhaupt nicht vorhersagen, in welche Richtung das Ganze abstrahlt.
Wenn wir aber eine stimulierte Emission haben, dann haben wir eine Verstärkung.
Links kommt ein Photon rein, dann wird das Elektron runterbefördert, und rechts kommt zwei Photonen raus, die in Phase laufen und in die gleiche Richtung.
So, das sind die Einzelprozesse.
Wenn wir jetzt bei ganz einfachen Bildern bleiben, dann nimmt das Elektron quasi das Photon mit an die Busseite Stelle,
und wenn dann der Bus mit den anderen Photonen vorbeikommt, dann nimmt ein Photon das Photon mit, was jetzt beim Elektron war.
Genau, das kann man so sehen. Die Photonen sind gespeichert, wenn man so will.
Jetzt ist es natürlich so, das hat mit den Einstein-Koeffizienten zu tun,
also wenn wir jetzt irgendwo reinstrahlen mit Photonen, die wir verstärken wollen,
die Möglichkeit ist ja die Absorption oder die stimulierte Emission, je nachdem, ob die Elektronen oben oder unten sind.
Und beide Übergänge sind gleich wahrscheinlich. Das heißt, einfach unterm Strich, und dann zack, sind wir bei der Besetzungsinversion.
Das heißt einfach unterm Strich, damit aus einem Kristall, wo wir Licht reinschicken, hinten mehr Licht rausbekommen,
weil wir mal das, was spontan emittiert oder absorbiert wird, als Verlust ansehen,
müssen wir mehr Elektronen im angerichten Zustand haben als Elektronen im Grundniveau.
Ja, deswegen Besetzungsinversion, weil wir die Besetzung dieser Niveaus genau umkehren.
Genau, richtig, die Besetzung umkehren im Verhältnis zum natürlichen Fall.
Und wenn man sich jetzt anschaut, wie man die anregen kann, zum Beispiel thermisch könnte man sie anregen,
dann geht das halt nicht, weil dann würde man die Boltzmann-Verteilung nehmen.
Also es gibt halt Mathematik, die eben zeigt, dass es keine Temperatur gibt, mit der man es hinbekommt.
Das meiste ist immer unten sozusagen. Jetzt braucht man also einen Trick.
Und das heißt, man braucht mindestens drei Niveaus. Das ist jetzt sehr schwer, ohne das aufzumalen.
Das kann man aber auch alles gut nachlesen. Und die Studierenden aus der Vorlesung haben das auch in der Vorlesung in Ruhe gehört.
Aber jetzt braucht man halt einen Trick. Wir brauchen drei Niveaus.
Im Zweifelsfall gibt es auch eine entsprechende Darstellung in dem aktuellen Kapitelbild.
Wenn euer Podcatcher das unterstützt, dann jetzt einfach mal den Bildschirm anschalten, dann solltet ihr das auch sehen.
Das heißt, wir haben ein Dreiviertel-System, wir haben ein Grundniveau, da sind die ganzen Elektronen drin.
Dann haben wir ein Pumpniveau, das ist ganz oben. Leicht darunter ist das obere Laserniveau.
Und jetzt kommen wir mit einer Pumpwellenlänge. Also wir pumpen mit einem Licht,
zum Beispiel einer Blitzlampe oder einem Diodenlaser, das gucken wir uns alle später in Ruhe an.
Wir pumpen in das System Energie rein und die Elektronen werden vom Grundniveau in das Pumpniveau gehoben.
Und das Pumpniveau hat die Eigenschaft, eine sehr kurze Lebensdauer zu haben.
Und von da fallen die Elektronen in das obere Laserniveau.
Und dieses Laserniveau muss eine ganz spezifische Eigenschaft haben. Das muss metastabil sein.
Das heißt, die Halbwertzeit muss im Bereich von, sagen wir mal, Millisekunden sein.
Normalerweise sind diese Halbwertzeiten im Bereich von Nanosekunden. Also es ist ein Unterschied von einer Million.
Also in der Nanosekundenwelt sind Millisekunden sehr, sehr lang. Für uns sind Millisekunden natürlich sehr, sehr kurz.
Aber sei es drum. Das heißt, da werden die dann gefangen, die Elektronen.
Und diese Wechsel wirken nicht mit dem Pumplicht, weil das Pumplicht nämlich genau die falsche Wellenlänge hat dafür.
Das Pumplicht hat also die Energie, um ins Pumpniveau zu heben.
Also der ganze Prozess startet damit, dass die ersten spontanen Emissionen stattfinden.
Und diese Photonen mit der Laserwellenlänge dann in die richtige Richtung laufen und andere mitnehmen, stimuliert.
Und dann in dem Resonator, haben wir schon mal darüber gesprochen, zwischen den Spiegeln hin und her reflektieren.
Und dann kann man halt damit die ganzen Elektronen abräumen, wie so eine Kegelbahn.
Und es ist jetzt so, dass ein Dreivolaser heißt, also die Besetzungsinversion gilt immer zwischen dem oberen und dem unteren Laserniveau.
Das untere Laserniveau ist natürlich immer noch sehr voll, weil es auch das Grundniveau ist, wo die Elektronen sowieso drin sind.
Und der erste Laser war ein Dreivolaser, aber alle anderen, die ich kenne, sind Vierniveolaser.
Weil man nämlich dann noch ein zusätzliches Niveau unten einführt, ein unteres Laserniveau.
Das haben alle Laser gemeinsam, dass sie also eine Besetzungsinversion brauchen, dass sie verschiedene Niveaus haben.
Aber die Besetzungsinversion ist quasi das entscheidende Phänomen, was wir brauchen, um Verstärkung zu haben.
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Also Lichtverstärkung durch stimulierte Emissionen der Strahlung.
Und stimulierte Emission ist halt dieser Effekt, der nur, also dominierend gegenüber den anderen, wie Absorptionen spontaner Emission stattfinden kann, in dem die Besetzungsinversion vorliegt.
An der Stelle ist es glaube ich nicht schlimm, wenn wir das doppelt sagen.
Kannst du nochmal auf einen ganz kurzen Punkt bringen, Besetzungsinversion ist wichtig, weil?
Also wir haben ja diese drei Prozesse Absorption, Spontane Emission, stimulierte Emission.
Stimulierte Emission verstärkt das Licht, das ist das, was wir wollen.
Spontane Emission und Absorption finden aber auch statt und sind Verlusttherme.
Warum? Weil die Absorption das Licht rausnimmt, damit abschwächt, das ist glaube ich sehr leicht verständlich.
Die Spontane Emission, weil sie nicht gerichtet ist.
Sie geht nicht in die richtige Richtung, dann trifft das Photon die Wand vom Gehäuse oder sowas.
Also sie macht quasi nur den Kristall warm.
Die Wahrscheinlichkeit ist sehr gering, dass mal ein Photon einen Beitrag dazu leistet.
Das heißt die stimulierte Emission haben wir nur unter der Bedingung, dass ein Photon in der richtigen Richtung auf einen angerechten Zustand trifft.
Und dann müssen wir halt zusehen, dass diese Bedingungen vorliegen.
Dann müssen wir halt sehen, dass so viele wie möglich angeregt sind.
Dafür ist es wichtig, weil wir sonst keine Verstärkung haben.
Und wenn wir keine Verstärkung haben, haben wir ein Kristall, in dem sich das Licht tot läuft und dunkler wird.
Denn ein Laser ist nichts anderes als ein Lichtverstärker, wie auch ein Stereoverstärker.
Der braucht ja auch Energie, das kriegt er durch Strom, also von einer HIFI-Anlage oder so.
Und beim Lichtverstärker ist es halt dieses System, das so angeregt ist, dass alle Elektronen, also die meisten Elektronen oben sind.
Und dadurch eben stimulierte Emission, der dominierende Effekt ist, in das Licht verstärken.
Der Laser ist dann nur ein Resonator drum.
Wir hatten uns ja in unserer Nullten-Folge, was glaube ich ein bisschen darüber lustig gemacht, dass der James Bond-Bösewicht sagt,
dass es eine ganz besondere Art von Licht, die es in der Natur gar nicht gibt, wo wir gesagt haben,
naja, wo steht er denn da gerade rum, wenn es nicht in der Natur ist?
Jetzt stelle ich mal die böse Frage, hat er vielleicht doch recht?
Gibt es diesen Prozess natürlich, also kommt der einfach irgendwo vor?
Nicht, dass man weiß. Also der Laserprozess mit der Besetzungsinversion,
also dass es diese Besetzungsinversion in der Natur gibt, in irgendwelchen kosmischen Prozessen, Sonnenverbrennungsprozessen oder Ähnlichem, das ist nicht so.
Ich glaube mal, gehört zu haben, dass es auch sogar sein kann, dass man in Atomkernen, gibt es ja auch Niveaus,
also da wird es jetzt sehr physikalisch, aber Atomkerne haben ja Protonen und Neutronen und die können ja auch verschiedene Zustände haben
und die kann man auch anregen oder die können auch angeregt sein und da gibt es auch metastabile Niveaus.
Da entsprechen die Energien der Übergänge aber eher gamma-Quanten, also sehr hochenergetischen Photonen
und die Halbwertzeiten von den metastabilen Niveaus sind unheimlich lang.
Also die können bei Tagen sein oder so oder noch länger.
Aber nichts ist so trotz, dass Atome die Eigenschaft haben, metastabile Niveaus zu haben, sorgt nicht automatisch dafür, dass man eine Besetzungsinversion hat.
Also das heißt, vielleicht um die Frage aufgeräumt zu beantworten, es gibt metastabile Niveaus hier und da,
auch natürlich wenn es die bei bestimmten Materialkonfigurationen auf der Erde gibt, gibt es sie auch überall,
aber es gibt keinen natürlichen Prozess, von dem man weiß, dass es die Besetzungsinversion gibt und damit eine Lichtverstärkung.
A.G. Gut, dann kommen wir zu unseren Literatur-Tipps für heute. Hast du da was?
B. Ja, heute mal ein bisschen anders. Ich muss aufpassen, dass ich nicht spoiler,
aber es gibt eine Triologie von einem chinesischen Autoren, Science-Fiction Autoren, Liu Chichin heißt er,
also Liu ist der Nachname, den sagt man ja zuerst im Chinesischen, und Liu Chichin hat den Roman "Die drei Sonnen", das ist der erste Teil der Triologie.
Ach Gott, der zweite Teil, da guck ich mal in den Schrank, "Der dunkle Wald" und den dritten Teil habe ich auch gelesen,
aber der liegt gerade bei meinem Nachbarn, der sagt schon seit einem halben Jahr, dass er den liest, aber ich glaube jetzt, wo es wieder kälter wird, liest er den auch,
aber das sind die coolsten Bücher, die ich hier gelesen habe. Natürlich verlässt er physikalisch, also die Realität so ein bisschen,
es ist trotzdem super gut geschrieben und logisch in seiner eigenen Konsistenz, und da geht es im ersten Teil,
das ist ein bisschen spoiler, aber das kommt ziemlich am Anfang raus, geht es darum, dass man Signale von der Erde verstärkt,
indem man die Signale auf die Sonne schickt und wenn man da eine bestimmte Frequenz benutzt, dann würde das über die Sonne verstärkt werden.
Das würde aber genau voraussetzen, also das ermöglicht halt Kommunikation in diesem Roman, und das würde aber voraussetzen,
dass die Sonne eine Besetzungsinversion hat bezogen auf diese Wellenlänge, und das ist halt nicht bekannt.
Das ist dann der Fiction-Teil an der Science-Fiction.
Ja, aber ich kann euch jeden empfehlen, wer so ein bisschen auf Science-Fiction steht, das ist ein echt toller Romane, wirklich gut,
und ich finde es immer spannend, Literatur aus anderen Ländern zu lesen, gerade weil Science-Fiction immer auch ein Spiegel der Gesellschaft ist,
und chinesische Literatur habe ich so nicht gelesen, und die ist auch aus dem Chinesischen gut übersetzt.
Es gibt auch super gute Hörbücher von WDR produziert, kann man auch gut hören, also so richtige Hörspiele sind das voll gut gemacht, auch kann ich auch empfehlen.
Links dazu in den Show notes. Gut, dann haben wir es für heute, dann wünschen wir noch einen laserigen Tag und bis zur nächsten Folge. Tschüss!
[Musik]
Einen laserigen Tag? Wo kam das denn her?