Florian Karsten

Der Stickstoff-Laser (N2-Laser)

In der Schule wird der Laser meist nur als geeignete Lichtquelle verwendet, die einfarbig, gebündelt und kohärent ist. Im Rahmen der Quantenphysik sind viele Versuche (Mach-Zehnder-Interferometer, Quantenradierer etc.) sogar nur mit Hilfe eines Lasers durchführbar. Allerdings erleben ihn die Schüler dabei stets nur als "Black Box", die nicht näher erklärt wird. Auch die Schulbücher besprechen den Laser erst am Ende ihrer Kapitel über Atom- und Quantenphysik.

Der Grund dafür ist, dass der Standard-Laser (der Helium-Neon-Laser) in der Schule nur schwer zu erklären ist, da man zu seiner Beschreibung vier Energieniveaus, metastabile Niveaus, Gasröhren, Stoßprozesse, stehende Wellen, halbdurchlässige Spiegel etc. behandeln muss. Es ist praktisch unmöglich, den Helium-Neon-Laser zu verstehen, ohne zuvor einiges über Atom- und Quantenphysik gelernt zu haben. Dabei muss allerdings viel trockenes Vorratswissen angehäuft werden – ein nicht sehr motivierendes Verfahren.

Dieses Problem löst ein besonderer Laser, den ich gebaut habe: der Stickstoff-Laser. Er ist übersichtlich aufgebaut und benutzt den Stickstoff in der Umgebungsluft. Er benötigt zur Erklärung nur zwei Energieniveaus und kommt ohne Spiegel, Gasröhren und stehende Wellen aus. Die Schüler können seine Funktionsweise daher auch verstehen, ohne vorher Atom- und Quantenphysik gelernt zu haben. Außerdem fasziniert er den Betrachter durch die Einfachheit der verwendeten Bauteile wie Münzen, Schrauben und Alufolie.

Der Stickstoff-Laser ist ein Molekülgas-Laser der Laserklasse 1M, der im Pulsbetrieb (<40 ns) ultraviolettes Laserlicht (337,1 nm; UV-A) mit einer Leistung von ca. 0,1 mW erzeugt (ein passendes Warnschild können Sie herunterladen). Dieser Laser wird sowohl an der Universität als auch an manchen Schulen als Demonstrationslaser eingesetzt. Auch im Internet finden sich unzählige Seiten, die sich mit mehr oder weniger komplizierten Versionen des Stickstoff-Lasers beschäftigen. Eine gute Informationsquelle ist z.B. Sam's Laser FAQ Icon Externer Link.

Der von mir gebaute Laser geht im wesentlichen auf Ideen von H. Lewinski und S. Eick Icon Externer Link zurück. Um die Laserplatten nicht bei jedem Aufbau neu justieren zu müssen, wurden nach auf die Aluminiumplatten Winkel geschraubt, die mit Kunststoffschrauben und Federn verbunden sind und die durch Kunststoffmuttern fixiert werden können. Insgesamt ist so ein Versuchsaufbau entstanden, der – einmal justiert – schnell aufzubauen ist und zuverlässig funktioniert.

Artikel zum Stickstoff-Laser

[pdf] F. Karsten: Mit Stickstoff geht ein Licht auf – Laser in der Schule. In HiLights! – Lichtforschung und Lichttechnik in Dresden, S. 16–18. Publikation zum Dresdner Lichtjahr 2015.

[pdf] F. Karsten: Unterricht mit dem Stickstoff-Laser – Ein Unterrichtsgang von der Anwendung zur Theorie des Lasers. In Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule 8/59 Icon Externer Link, S. 28–39 (2010). – Vorversion (PDF)

[pdf] F. Karsten: Ein Stickstoff-Laser zum Selbstbauen. In AATiS Praxisheft 18 Icon Externer Link (2008).

[pdf] F. Karsten: Aspekte der Atom- und Quantenphysik am Beispiel des Lasers. Schriftliche Arbeit zur zweiten Staatsprüfung für die Laufbahn des höheren Schuldienstes an Gymnasien (2002).

Fotos des Stickstoff-Lasers


Laser und Netzgerät

Laser schräg

Laser schräg

Laser in Betrieb

Laser von oben
(ohne Federn)

Beugungsmuster
eines Kreuzgitters

Anleitung für den Stickstoff-Laser

Das Zusammensetzen des Lasers geht schnell. Die erste Justierung erfordert jedoch etwas Geduld. Wenn man den Laser aber einmal justiert hat und die Kunststoffschrauben mit den Muttern fixiert hat, kann man den Laser in Zukunft schnell aufbauen und zuverlässig einsetzen. Das benötigte Material und die ersten Schritte finden Sie in der Aufbauanleitung.

Den Stickstoff-Laser kaufen

Die Laserplatten können selbst hergestellt werden, wenn man über handwerkliches Geschick verfügt. Man kann die Laserplatten und Winkel aber auch fertig kaufen: Sie werden nach meinem Entwurf von der Firma Gutjahr Icon Externer Link hergestellt und können dort zum Selbstkostenpreis unter der Bestellnummer "DIV.1215 (Bauteile-Satz für Laser-Modell)" bestellt werden:

    Gutjahr GmbH
    Neuffenstr. 120
    73240 Wendlingen
    Tel. (07024) 9509-0
    info@gutjahr.de

Dem Bauteile-Satz liegen auch die benötigten Kunststoffschrauben, -muttern und -beilagscheiben sowie zwei Druckfedern bei.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Da ich oft E-Mails mit ähnlichen Fragen und Problemen bekomme, stelle ich Ihnen hier einige Antworten auf häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Verfügung.

Unterrichtsmaterial

Das Unterrichtsmaterial (Arbeitsblätter, Folien, PowerPoint-Präsentationen, etc.) können Sie nur mit Hilfe eines Kennwortes herunterladen. Um das Kennwort zu erhalten, schreiben Sie bitte eine E-Mail an .

Zwei Schülerinnen haben versucht, sich selbst so einen Laser zu bauen – mit Erfolg


Laser Draufsicht

Laserstrahl

Laserforscherinnen

Mit freundlicher Genehmigung von Anna Maria Roth und Mandy Soblik vom Lise-Meitner-Gymnasium Remseck. Toll gemacht!

Weitere Informationen

Wenn Sie sich für den Stickstoff-Laser interessieren, sende ich Ihnen gerne weitere Informationen zu. Schreiben Sie dazu bitte eine E-Mail an .

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