Physik - Kaleidoskop

Laser 254
Physikalische Grundlagen
Zusammenfassung
Für die Funktion des Lasers sind die drei grundlegenden Prozesse der
Wechselwirkung von Licht mit Materie bestimmend: Absorption bzw.
Anregung (Pumpen), spontane Emission und stimulierte Emission.
• Beim Pumpen des Lasers wird entweder ein Photon vom aktiven
Medium (geeignete Materie, zum Beispiel Atome oder Moleküle in
einem Festkörper, einer Flüssigkeit oder einem Gas) absorbiert,
oder die Anregung erfolgt durch unelastische Stöße (Gasentladung,
Teilchenstrahlung). Die Pumpleistung (Anregung) sorgt dafür, dass
Elektronen der Atome oder Moleküle des aktiven Mediums in einen
höheren Energiezustand, d. h. ein höheres Energieniveau gelangen.
Stimulierte Emission
• durch zunächst spontane Emission geht dieser angeregte Zustand spontan, das heißt zufällig und ohne äußere
Einflüsse, wieder in einen niedrigeren Energiezustand über. Die Energiedifferenz wird in Form eines Photons
abgestrahlt. Zeitpunkt der Aussendung und Richtung des Photons sind zufällig.
• Bei der stimulierten Emission wird durch ein solches, bereits existierendes Photon die Aussendung eines weiteren
Photons angeregt; dieses besitzt die gleichen Eigenschaften (Frequenz, Phase, Polarisation und
Ausbreitungsrichtung). Es ergibt sich eine Verstärkung der Strahlung. Ein Resonator oder die Gestalt des aktiven
Mediums sorgen dafür, dass diese Verstärkung rückgekoppelt und in einer bevorzugten Richtung erfolgt.
Auch in geeigneten aktiven Medien werden die Photonen ohne Anregung (Pumpen) jedoch wieder absorbiert. Damit
die Strahlung verstärkt wird, muss man dafür sorgen, dass der höhere Energiezustand ständig oder zumindest
kurzzeitig stärker besetzt ist als der untere ; dann sind stimulierte Emissionen häufiger als Absorptionen. Da
dies im thermischen Gleichgewicht nicht der Fall ist, spricht man von Besetzungsinversion. Um diese zu erreichen,
kann man zum Beispiel Licht geeigneter Wellenlänge einstrahlen (Optisches Pumpen). Der nahe liegende Ansatz,
Photonen der Energiedifferenz einzustrahlen, schlägt aber fehl, weil so auch direkt eine Emission
stimuliert würde und die Wahrscheinlichkeiten von Emission und Absorption in einem Zweiniveausystem gleich
sind. Stattdessen verwendet man zum Beispiel ein Medium mit einem Dreiniveausystem, bei dem zunächst auf ein
drittes, höher gelegenes Energieniveau gepumpt wird. Von dort erfolgt strahlungslos oder per spontaner
Emission ein Übergang auf das Niveau . Der Trick besteht nun darin, die Energieniveaus so zu wählen, dass
ein spontaner Übergang von zu sehr viel schneller erfolgt (das heißt, sehr viel wahrscheinlicher ist), als
ein Übergang von auf und der direkte Übergang von nach sehr unwahrscheinlich ist. In diesem
Falle wird durch das Pumpen die Zahl der Teilchen im Zustand stetig erhöht. Je nach aktivem Medium gibt es
aber auch Zweiniveaulaser im kontinuierlichen Betrieb (zum Beispiel die elektrisch gepumpten Diodenlaser) und
Vierniveaulaser, bei denen das Niveau auf ein noch tieferes Niveau abgeregt werden muss, um erneut gepumpt
werden zu können (z. B. Kohlendioxidlaser).
Beginn der Laseremission
In einer Materieansammlung (Gas, Festkörper, …), die energetisch ausreichend angeregt ist, entstehen immer auch
Photonen durch spontane Emission, die sich in irgend eine Richtung ausbreiten. Falls sie auf ihrem Weg
zufälligerweise auf Atome im metastabilen Zustand treffen und die Energien zusammenpassen für eine stimulierte
Emission, verstärkt sich die Intensität des Lichtes. Bei jedem energetisch „gemolkenen“ Atom kommt ein Photon zur
bereits vorhandenen Menge dazu, die Lichtintensität steigt. Zum Glück kann auf dem weiteren Weg durch die
Materieansammlung kein Photon durch Resonanzabsorption abhandenkommen, wie man beispielsweise beim
Durchgang von Natriumlicht durch Natriumdampf oder bei Fraunhoferschen Linien beobachten kann. Ursache ist
der verbotene Übergang: Wenn das Atom die im metastabilen Zustand gespeicherte Energie nicht so ohne weiteres