Laserphysik

Laser sind Lichtverstärker, basierend auf stimulierter Emission. In diesem Kurs untersuchen die Teilnehmenden vertieft, wie die Energie einzelner Photonen durch quantisierte atomare Prozesse vervielfacht wird bis makroskopisch eine Intensitätsverteilung zu beobachten ist die im Bild einer stehenden Welle beschrieben werden kann. Der Kurs beinhaltet Experimente aus den Bereichen Atom- und Quantenphysik, Wellenphysik und Energie und stellt dabei den Bezug von curricularen Inhalten zu Anwendungen und aktueller Forschung her.

Ab Jahrgang 11, dreitägig bis viertägig, max. 12 TN

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Experimente:

  • Welleneigenschaften von Licht (Beugung und Interferenz)
  • Absorption, Emission, Fluoreszenz (Energieniveaus und Photonen)
  • Messung der Strahlungsleistung mit Photodetektor und Oszilloskop (Quantisierung des Energieflusses)
  • Aufbau und Charakterisierung von Pr:YLF-Lasern (Fluoreszenzspektrum, mittlere Lebensdauer der Elektronen im angeregten Zustand, Wellenlänge, Kohärenzlänge, Spiking)
  • Energiekonversion im Laser (atomare und makroskopische Effizienz)
  • Laseranwendungen (Interferometrie, Messung der Lichtgeschwindigkeit, Wellenlängenselektion, Frequenzverdopplung) 

Kursbeschreibung:

Im ersten Teil des Kurses verwenden die Schülerinnen und Schüler klassische Lichtquellen und arbeiten zu den Welleneigenschaften von Licht (Beugung und Interferenz) und zur quantisierten Energieaufnahme und Energieabgabe unterschiedlicher Stoffe bei Absorption, Emission und Fluoreszenz. In Messungen der Strahlungsleistung unterschiedlicher Lichtquellen und der mittleren Lebensdauer von Elektronen im angeregten Zustand erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass die Energie von Licht für eine gewisse Zeit in einem Material gespeichert werden kann – eine Voraussetzung für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission.
Für die Laserexperimente nutzen die Schülerinnen und Schüler mit Praseodym dotiertes YLiF4 (Pr:YLF) als aktives Medium. Pr:YLF besitzt ein Absorptionsmaximum bei 444 nm und ein Emissionsmaximum bei 640 nm, sowohl das Pumplicht als auch der Laserübergang liegen damit im Sichtbaren wodurch der eigenständige Aufbau und die Justage der gesamten Lasersysteme zuverlässig möglich ist. Die Ergebnisse der ausführlichen Charakterisierung der Laser diskutieren die Teilnehmenden im Wellenbild (Wellenlänge, Kohärenzlänge) und im Teilchenbild (Fluoreszenzspektrum, mittlere Lebensdauer). Auch die Bewertung der experimentell gemessenen Effizienz der Energiekonversion im Laser erfolgt mit Blick auf atomare und makroskopische Prozesse.
Nach erfolgreicher Charakterisierung nutzen die Schülerinnen und Schüler „ihre“ Laser in Anwendungen (Messung der Lichtgeschwindigkeit in Luft, Messung der Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vom Luftdruck) und experimentieren zu weiterführenden Phänomenen wie Wellenlängenselektion und Frequenzverdopplung. Zudem erhalten Sie bei einer Laborexkursion in die Fakultät für Physik Einblicke in aktuelle Forschung mit Lasern.
Bei Rückfragen zum Kursinhalt und für inhaltliche Absprachen nehmen Sie bitte Kontakt mit dem Team des Fachbereichs Physik auf.


Unterrichtsbezüge:

Atomstruktur: geladene Teilchen, Hülle und Atomkern
Licht als elektromagnetische Welle
Wellen und Quanten


 Der Kurs wird gefördert vom ICASEC.