HeNe-Gaslaser

Der Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser) ist ein klassischer Gaslaser, der vor allem für sein stabiles, rotes Licht bei einer Wellenlänge von λ = 632.8 nm bekannt ist. Das Wort Laser ist ein englisches Akronym und steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation„. Dies bedeutet Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Der Name beschreibt genau, wie ein Laser funktioniert. Er verstärkt Licht durch angeregte Atome, sodass ein gebündelter, intensiver Strahl entsteht.

Lichtemission entsteht im Atom immer dann, wenn Elektronen von einem höheren energetischen Zustand auf einen niedrigeren „fallen“. Die dabei frei werdende Energie E wird in Form eines Photons (Leichtteilchens) mit der Frequenz f freigesetzt, wobei E = h · f gilt. Größere Elektronensprünge bedingen daher höherfrequentes Licht und vice versa.

Diese Sprünge nach unten erfolgen ganz automatisch, nachdem ein Elektron durch Energiezufuhr in Form von Stößen oder Lichtabsorption hinaufgehoben wurde. Dies kann etwa bei der sog. spontanen Emission unmittelbar binnen Nanosekunden (10^ –9 sek) nach der Anregung erfolgen. Bei der Fluoreszenz springt das Elektron nach der Anregung zunächst auf ein energetisch tiefer gelegenes Niveau, verweilt dort aber auch nur Nanosekunden und springt dann weiter in den Grundzustand. Daher ist die Fluoreszenzstrahlung langwelliger als die Anregungsstrahlung! Bei der sog. Phosphoreszenz verweilt das Elektron in einem Niveau mit verbotenen Übergang verhältnismäßig sehr, sehr lange (bis hin zu Sekunden), um dann dennoch trotz Verbots in den Grundzustand überzugehen.

Die sog. Rayleigh-Streuung ist etwas anderes. Während bei der Absorption die zugeführte Energie genau für einen Sprung von unten auf ein reales, höhergelegenes Niveau passen muss, ist dies bei der Streuung nicht der Fall. Hier muss also die Energie des absorpierten Lichts nicht gleich einer Energiedifferenz im Termschema des Atoms entsprechen. Eine normale Adsorption benötigt also immer eine völlige Übereinstimmung zwischen Anregungsenergie und Energieabstand zweier Elektronenzustände. Bei der Rayleigh-Streung ist dies nicht der Fall, deshalb handelt es sich bei der Streuung auch nicht um eine Absorption!

Das Licht trifft auf ein Molekül, dessen Energielevel also nicht zur Energie des Photons passen. Das Elektron wird nicht auf ein echtes, stabiles Energieniveau gehoben. Stattdessen wird das elektrische Feld des Atoms durch die Lichtwelle nur ganz kurz in Schwingung versetzt (Polarisation) und strahlt diese Energie sofort wieder ab. Das Photon wird also gestreut (abgelenkt), nicht absorbiert und neu erschaffen! Dieser Vorgang erfolgt noch einmal deutlich schneller als etwa die spontane Emission innerhalb von Femtosekunden (= 10^ –15 sek)!

Was passiert aber nun beim Laser? Nun, ein Elektron kann nicht nur spontan nach unten fallen, sondern dazu quasi animiert werden durch ein einfallendes Lichtteilchen. Trifft ein passendes Photon auf ein angeregtes Elektron, so wird dessen Fall nach unten durch das einfallende Photon ausgelöst. Beim Fall nach unten emittiert nun das Elektron ein weiteres Photon, sodass am Ende 2 Photonen das Atom verlassen. Und dies ist noch nicht alles, das zweite Photon schwingt im selben Takt wie das einfallende Photon, sie sind also kohärent! Die Wellenberge und Wellentäler befinden sich also bei beiden Photonen an derselben Stelle. Deshalb kann man sie wie einen einzelnen, geschlossenen Wellenzug betrachten. Dies spielt u.a. bei Interferenzversuchen eine entscheidende Rolle. Hierfür wird nämlich Licht mit einer sehr großen Kohärenzwellenlänge (= Strecke, auf der eben der einzelne Lichtwellenzug besteht) benötigt, da ja das Licht dann unterschiedliche Wegstrecken im z.B. mm-Bereich zurückgelegt hat und trotzdem quasi auf denselben Lichtwellenzug des anderen Pfads treffen muss!

Jetzt haben wir aber oben gehört, dass das Elektron eigentlich normalerweise nur extrem kurze Zeit im angeregten Zustand verweilt. Dann müsste doch das eintreffende Photon fast nie auf ein angeregtes Elektron treffen oder? Ja, bei einem normalen angeregten Zustand wäre dies auch tatsächlich so. Nur beim Laser ist dies anders. Dort fällt nämlich das angeregte Elektron auf ein sog. metastabiles Niveau, sprich es verweilt dort verhältnismäßig lange. Und genau diese lange Zeit nutzt man beim Laser aus, damit die eintreffenden Photonen ziemlich oft auf angeregte Elektronen treffen und dann jeweils 2 Photonen das Atom wieder verlassen. Genial, oder? 😉

Damit sich aber viele Elektronen im metastabilen Niveau befinden, müssen diese zuvor angeregt werden. Dies erfolgt zum Beispiel durch Stöße oder intensives Blitzlicht. Alte oder selbstgebaute Laser besitzen daher oft eine sehr leistungsstarke Blitzröhre, welche sich zum Beispiel um einen Rubinstab wendelt! Diese zündet dann in bestimmten Zeitabständen und genau dann befinden sich viele Elektronen im angeregten, metastabilen Zustand und der Laser gibt einen kräftigen Lichtpuls ab.

Kurz zur Geschichte des Helium-Neon-Lasers:

1960: Der HeNe-Laser wurde von Ali Javan, William R. Bennett und Donald R. Herriott an den Bell Telephone Laboratories entwickelt.

Weltpremiere: Er war der erste Gaslaser überhaupt und der erste Laser, der im kontinuierlichen Dauerstrichbetrieb (CW) arbeiten konnte (der wenige Monate zuvor erfundene Rubinlaser von Maiman schoss nur Pulse).

Wellenlänge: Die ersten Modelle emittierten noch unsichtbares Infrarotlicht (1,15 µm). Die berühmte rote Linie bei 632,8 nm wurde kurz darauf (1962) demonstriert.

Warum sind hier zwei Termschemata dargestellt? Nun, ein HeNe-Laser beinhaltet ja zwei unterschiedliche Gase, Helium und Neon. Das Helium ist dafür verantwortlich, dass sich letztendlich durch Stöße viele Elektronen im Neonatom im angeregten Zustand befinden. Die angeregten Helium-Atome besitzen zufällig fast exakt dieselbe Energie wie bestimmte angeregte Zustände des Neon-Atoms. Bei einem Stoß zwischen Helium und Neon wird die Energie direkt auf das Neon übertragen. Das eigentliche rote Laserlicht stammt dann aber vom Helium.

Ich habe insgesamt 3 alte HeNe-Laser:

Die Pin-Belegung des 4-poligen Steckers:

Der zweite Laser stammt von PHYWE und war wohl für die Schule/den Unterricht gedacht:

Den letzten der drei Laser habe ich schon am längsten. Diesen habe ich 2009 gebraucht über das tolle deutsche Laserfreak-Forum bezogen. Gedacht war er für erste Versuche, ein Hologramm zu erstellen…

Das Hochspannungsnetzteil mit 1900 V DC output bei 4.5 – 6.5 mA:

Der typische Stecker der alten HeNe-Laser:

Die Leistung ist mit 2 mW nicht gerade umwerfend:

Aber er springt nach wie vor ohne Probleme an:

Experiment:

Nun zum sehr einfachen Experiment: Und zwar möchte ich mit einem Beugungsgitter, welches man für rund 10 Euro z.B. auf Amazon bekommt, die Wellenlänge des Gaslasers überprüfen.