Atomphysik am Lasermedium
Kurs für Schülergruppen

Experimente

• Quantenhafte Absorption, Photonenmodell und Energieniveauschemata
• Quantenhafte Emission bei Fluoreszenz, Resonanzabsorption
• Stochastische Vorhersagbarkeit von Übergängen angeregter Zustände
• Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung
• Dynamik des Laserprozesses

In diesem Kurs wird mit Praseodym dotiertes Yttrium-Lithium-Fluorid (Pr:YLF) zur Untersuchung grundlegender atomphysikalischer Phänomene genutzt. Die Teilnehmenden beobachten die quantenhafte Absorption und Emission von sichtbarem Licht in Linienspektren und konstruieren daraus das Energieniveauschema von Pr:YLF. Dies ist möglich, da das Energieniveauschema von Pr:YLF im Wesentlichen dem von dreifach positiv geladenen freien Pr-Ionen entspricht und wohldefinierte Energieniveaus aufweist. Den stochastischen Charakter von Übergängen zwischen quantenmechanischen Zuständen untersuchen die Teilnehmenden ebenfalls experimentell. Mit Photodetektoren und digitalen PC-Oszilloskopen messen sie den exponentiellen Abfall der Intensität der Emissionslinien nach optischer Anregung und bestimmen daraus die mittlere Lebensdauer von Elektronen im angeregten Zustand.

Da Pr:YLF ein Lasermedium ist, können die Teilnehmenden nach Einführung der stimulierten Emission ergänzend einen Resonator um ihr Lasermedium aufbauen und Laserstrahlung erzeugen. Die abschließende Untersuchung der Dynamik der stimulierten Emission vertieft das Verständnis atomphysikalischer Prozesse bei der Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung.

Die Dauer des Kurses kann zwischen einem Tag (drei Experimente) und eineinhalb Tagen (alle Experimente) gewählt werden. Zudem können Experimente zur Charakterisierung und zur Anwendung der Laser angeschlossen werden. Nehmen Sie zur Abstimmung der Kursinhalte gern Kontakt mit dem Team des Fachbereichs Physik auf.

Unterrichtsbezug

Atomstruktur: geladene Teilchen, Hülle und Atomkern; Wellen und Quanten