Laserprinzip

Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen unterhalb einiger hundert µm. Der sichtbare Bereich erstreckt sich von 400 - 800 nm. Die Emission und Absorption elektromagnetischer Strahlung wird durch die beschleunigte Bewegung elektrisch geladener Teilchen verursacht. Bei hinreichend kleinen Frequenzen, entsprechend großen Wellenlängen, geschieht dies z.B. durch Wechselströme in Antennen. Im sichtbaren Spektralbereich werden diese Antennen durch Atome oder Moleküle realisiert, die beim Übergang zwischen unterschiedlichen Eigenzuständen Licht emittieren oder absorbieren können. Bei der Absorption wird ein Quant (Photon) eines elektromagnetischen Felds vom Atom bzw. Molekül eingefangen, wobei die Energie des Lichtquants in Anregungsenergie des Atoms umgewandelt wird. Die Energie eines Lichtquants ist gleich dem Produkt aus Planckschem Wirkungsquantum, einer Naturkonstante, und der Lichtfrequenz. Das angeregte Atom kann seine Anregungsenergie durch Emission eines Lichtquants wieder abgeben. Die Emission kann spontan erfolgen oder durch das äußere Strahlungsfeld stimuliert werden. Bei spontaner Emission wird das Lichtquant in eine beliebige Richtung und mit beliebiger Phase emittiert. Erfolgen alle Lichtemissionsakte spontan, wie in einer gewöhnlichen Lampe, resultiert ein Strahlungsfeld, das aus der Überlagerung vieler Wellenzüge besteht, die beliebige Phasen besitzen und sich in beliebiger Richtung ausbreiten. Im Gegensatz dazu wird bei der stimulierten Emission das emittierende Atom durch das äußere Strahlungsfeld gezwungen, phasengleich mit dem Strahlungsfeld ein Lichtquant zu emittieren. Die Überlagerung sehr vieler solcher phasengleicher Wellenzüge führt zu einem Strahlungsfeld, das sich in eine bestimmte Richtung ausbreitet und dessen Amplitude sehr stabil ist. Außerdem ist im Allgemeinen die spektrale Bandbreite der Strahlung erheblich kleiner als bei einer gewöhnlichen Lampe, die im gesamten sichtbaren Spektralbereich emittiert.

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Um die Emissionsakte in einem Ensemble von Atomen durch stimulierte Emission zu synchronisieren, sind zwei Voraussetzungen erforderlich.
Zum einen müssen sich mehr Atome im energetisch höher gelegenen Zustand als im energetisch tiefer liegenden Zustand befinden, d.h. es muss Inversion vorliegen. Dies ist notwendig, da andernfalls die stimuliert emittierten Lichtquanten direkt wieder von den Atomen absorbiert würden, die sich im energetisch tiefer liegenden Zustand befinden. Inversion ist nicht der in der Natur vorherrschende Zustand. In der Regel sind die energetisch tiefer liegenden Zustände stärker besetzt als die energetisch höher liegenden. Es müssen daher besondere Maßnahmen zum „Pumpen“ der Atome eingesetzt werden.

Die zweite wesentliche Bedingung, damit die stimulierte Emission die spontane Emission übertrifft, ist dass das Strahlungsfeld hinreichend stark ist. Es gibt Lasermedien, die eine so hohe Verstärkung haben, dass quasi von alleine das Strahlungsfeld hinreichend große Werte annimmt. In der Regel muss aber das Strahlungsfeld mit Hilfe eines Optischen Resonators in das Medium zurückgekoppelt werden. Aus dem Laser-Grundprinzip ergeben sich somit die beiden wesentlichen Komponenten eines Lasers:

  • das aktive lichtemittierende Medium und
  • der Optische Resonator zur Rückkopplung des Strahlungsfelds