Laser

Funktionsweise und Aufbau eines Lasers

Light ''Amplification by Stimulated Emission of Radiation, dt. »Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung«

• Ein Laser ist eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung scharf begrenzter Frequenz, hoher Kohärenz und großer Intensität auszusenden vermag.
• 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 absorbiert, oder die Anregung erfolgt durch unelastische. Die Pumpleistung (Anregung) sorgt dafür, dass Elektronen der Atome oder Moleküle des aktiven Mediums in einen höheren Energiezustand, d. h. ein höheres Energieniveau gelangen.
• 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.
• Die Photonen werden ohne Anregung (Pumpen) jedoch wieder absorbiert. Damit die Strahlung verstärkt wird, muss man dafür sorgen, dass sich mehr Atome in einem angeregten Zustand befinden, als im Grundzustand (Besetzungsinversion).
• Man braucht mindestens 3 Energieniveaus um Laserlicht zu erzeugen. Die Elektronen aus dem dritten Niveau gelangen in das zweite Niveau (relaxieren), ohne dass es durch das dabei abgegebene Licht zu induzierter Emission kommt.
• Das zweite Niveau (oberes Laserniveau) muss metastabil sein, weil sich die Elektronen längere Zeit dort aufhalten müssen.

3-Niveau-Laser

Durch optische Anregung von außen wird das Elektron auf ein hohen kurzlebigen Anregungszustand gebracht aus dem es spontan in einen niedrigeren aber langlebigen (metastabilen) Anregungszustand fällt. Erst durch induzierte Emission gelangt das Atom wieder in den Grundzustand und kann erneut von außen angeregt werden. Auf diese Weise stehen sehr viele angeregte Atome im metastabilen Zustand für die induzierte Emission zur Verfügung.

Beim 3-Niveau-Laser muss man allerdings erst mal ne ganze Menge Pumpen, bis man überhaupt erst die Besetzungsinversion zustande kriegt. Diese ist bei 4-Niveau-Laser deutlich einfacher zu erreichen, da das untere Laserniveau nur sehr wenig besetzt ist. Also ist fast alles, was du aufs obere Laserniveau bringst, Überschuss, der zum Laserübergang beiträgt.