Das Prinzip eines Lasers

Dieses Kapitel ist inhaltlich stark angelehnt an ,,Laser: eine Einführung`` [2] von ALEXANDER MÜLLER, erschienen 1988 in ,,Anwendungen des Lasers`` der Spektrum-der-Wissenschaft-Verlagsgesellschaft.

Quantenelektronik

Die Entwicklung des Lasers als Lichtquelle und Lichtverstärker hat der klassischen Optik seit 1960 nicht nur zu einem Aufschwung verholfen, sondern hat sie geradezu revolutioniert. Mit ihm begann sich ein neues Teilgebiet der Physik zu entwickeln - die ,,Quantenelektronik``, die heute Thema für internationale Kongresse mit vielen tausend Teilnehmern ist und viele wissenschaftliche Zeitschriften füllt.

Induzierte Emission

Die theoretische Grundlage bildet ein Postulat EINSTEINS, das er 1917 zur Ableitung der PLANCKschen Strahlungsformel formulierte. Einstein nahm an, dass bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen neben der Absorption eines Lichtquants zwei verschiedene Arten von Emission auftreten: die spontane Emission und die induzierte Emission eines Lichtquants, die durch ein anderes Lichtquant ausgelöst werden kann.

Atome^2.1 liegen nach der Quantentheorie nur in diskreten Energiezuständen vor. Normalerweise befinden sie sich in ihrem energieärmsten Zustand, dem Grundzustand. In diesem Zustand können sie die Strahlung eines elektromagnetischen Feldes absorbieren, wenn die Energiequanten^2.2 $h\nu$ dieses Feldes gerade der Energiedifferenz zwischen zwei atomaren Zuständen entsprechen.

Dieser Absorption eines Lichtquants der Energie $E=h\nu$ Vorgang ist für ein Atom mit 2 Energiezuständen $E1$ und $E2$ in Abbildung 2.1 dargestellt. Das Atom geht dabei in den energiereicheren, angeregten Zustand über.

spontane Emission eines Photons der Energie $h\nu$ Dort kann es jedoch im allgemeinen nicht lange verweilen und kehrt nach einer für das jeweilige System charakteristischen Zeit - der Lebensdauer $\tau$ - wieder in den Grundzustand zurück (Abbildung 2.2). Da dies spontan, also ohne Wechselwirkung mit dem Strahlungsfeld und ohne Korrelation dazu geschieht, bezeichnet man den Vorgang als inkohärent. Die Emission des Lichtquants erfolgt hier in alle Richtungen gleich wahrscheinlich und zeitlich unkoordiniert (daher phasenverschoben und damit inkohärent).

induzierte Emission eines zweiten Photons der gleichen Energie $h\nu$ Entsprechend der Theorie von Einstein ist eine induzierte oder stimulierte Emission möglich, wenn ein weiteres Photon mit dem angeregten Atom in Wechselwirkung tritt. Dieses Photon induziert - unter Verkürzung der Lebensdauer des angeregten Zustandes - einen Übergang zum Grundzustand (Abbildung 2.3). Dabei wird die gespeicherte Energie als ein Photon mit der Energie $h\nu$ an das Strahlungsfeld zurückgeliefert. Entsprechend dem in der Quantentheorie begründeten Dualismus haben Photonen der Energie $h\nu$ auch die Eigenschaften einer elektromagnetischen Welle der Frequenz $\nu$. Diese Welle ist aber im Fall der induzierten Emission gleichphasig und gleichgerichtet mit der Welle des induzierenden Photons. Daher ist dieser Vorgang kohärent.

Stimulierte Emission ist - unter Normalbedingungen - ein extrem unwahrscheinlicher Prozess. Die Wahrscheinlichkeit ist bei hohen Frequenzen (Mikrowellen) und unter ,,unnormalen`` Nichtgleichgewichtszuständen deutlich höher. Daher ist es für Laser im allgemeinen notwendig, die Materie in einen derartigen Zustand zu bringen. Solche Bedingungen herrschen beispielsweise in elektrischen Entladungen.

Der Nachweis der induzierten Emission gelang bereits 1928 R. LADENBURG und seinen Mitarbeitern am Kaiser-Wilhelm-Institut für Physikalische Chemie in Berlin-Dahlem. Sie wiesen induzierte Emission in einer elektrischen Entladung in einem mit dem Edelgas Neon gefüllten Rohr bei hohen Stromstärken nach.

Maser

Es dauerte doch relativ lange, bis es gelang, mit Hilfe der induzierten Emission Strahlung zu verstärken. Dies war zunächst im Mikrowellenbereich möglich.

C.H. TOWNES und seine Studenten bauten 1954 an der Columbia-Universität in New York den ersten Ammoniak-Maser^2.3. Die Bezeichnung Maser ist ein aus den Anfangsbuchstaben für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) zusammengesetztes Akronym.

Vom Maser zum Laser

Erst weitere sechs Jahre intensiver Suche nach geeigneten Systemen gelang es 1960 T. MAIMAN in den Hughes Research Laboratories mit einem Einkristallstab aus künstlich hergestelltem Rubin eine intensive rote Strahlung hervorzurufen, die nachweislich durch induzierte Emission verursacht wurde. Der erste ,,optische Maser`` war gebaut. Später setzte sich dafür die Bezeichnung LASER durch, wobei in dem Akronym das Microwave durch Light ersetzt wurde. Nach diesem Durchbruch konnte in rascher Folge Laseremission in Gasen und anderen Festkörpern sowie später auch in Flüssigkeiten nachgewiesen werden.

Aufbau eines Lasers

Drei Die drei Hauptteile eines normalen Lasersystems Komponenten bilden die Basis jedes Lasersystems: ein Lasermedium, eine Energiequelle, Pumpquelle genannt (da sie Energie in das Lasermedium ,,pumpt``), und eine Rückkopplungsanordnung (Spiegel bzw. Gitter), die eine Oszillation^2.4 im Lasermedium erlaubt (siehe Abbildung 2.4).

Das Lasermedium muss mindestens zwei Energieniveaus haben, die durch einen starken Strahlungsübergang gekoppelt sind, auf dem induzierte Emission hervorgerufen werden kann, wenn es gelingt, in der Gesamtheit der Atome das obere Niveau stärker zu besetzen als das untere. Diese Besetzungsinversion - im Vergleich zu der im thermischen Gleichgewicht normalerweise herrschenden Boltzmann-Verteilung, bei der das Grundniveau am stärksten besetzt ist - läßt sich mit verschiedenen Methoden erreichen (das sogenannte ,,Pumpen``).

Das Pumpen von Lasern

Gepumpt werden kann auf verschiedenste Weisen:

Gaslaser werden meist durch elektrische Entladungen, Festkörperlaser meist durch Blitzlampen, Farbstofflaser meist durch einen anderen Laser, chemische Laser durch Reaktionen und Halbleiterlaser direkt durch die angelegte Spannung gepumpt.

Oftmals wird auch nur indirekt gepumpt:

Bei einem Helium-Neon-Gaslaser z.B. werden die Neonatome durch Stöße der Heliumatome gepumpt; letztere werden durch eine elektrische Ladung angeregt.

Wenn die Pumpquelle nicht die nötige Leistung für eine Daueroszillation erbringt, so kann der Laser nur gepulst^2.5 betrieben werden, oder das sogenannte ,,Spiking``^2.5tritt auf.

Zum Pumpen muß ein System mindestens 3, möglichst sogar 4 Energieniveaus haben:

Es ist wichtige Energieniveaus bei einem einfachen Lasersystem durch Pumpen praktisch nicht möglich, die Atome auf das Niveau zu bringen, bei dessen Verlassen die gewünschte Strahlung entsteht (,,oberes Laserniveau``), statt dessen bringt man das Atom auf ein höhergelegenes Energieniveau (,,Pumpniveau``), aus dem es dann strahlungslos in das obere Laserniveau wechselt.

Wechselt das Atom im Laserübergang nicht direkt in den Grundzustand, sondern auf ein Zwischenniveau (,,unteres Laserniveau``), so ist es leichter, eine Besetzungsinversion zu erhalten, da weniger Atome im Grundzustand sind.

Viele Laser weisen noch weitere Energiniveaus auf (insbesondere Farbstofflaser); dies bringt jedoch kaum Vorteile, sondern verringert den Wirkungsgrad (mehr strahlungsloser Übergang).

Die Übergänge zwischen dem Pumpniveau und dem oberen Laserniveau sowie zwischen dem unteren Laserniveau und dem Grundzustand müssen sehr schnell sein, damit sowohl Pumpniveau als auch unteres Laserniveau praktisch dauernd unbesetzt sind.

Verstärkte spontane Emission

Erreicht man durch das Pumpen eine Besetzungsinversion, so entsteht eine spontane Emission in alle Richtungen.

Da das Lasermedium meist länglich, zylinderförmig geformt ist, regen Photonen, die sich annähernd parallel der Längsachse bewegen durch den längeren Weg eine stärkere induzierte Emission hervor.

Hier kann man aber eigentlich noch nicht von einer ,,Laseremission`` sprechen, eher von einer verstärkten Spontanemission (,,amplified spontaneous emission``, ASE).

Laseremission

Bringt man nun eine Rückkopplungsanordnung ins Spiel, deren Abstand ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge $\lambda / 2$ beträgt, so bildet sich eine stehende Welle entlang der Längsachse aus.

Das zurücklaufende Licht erzeugt verstärkt induzierte Emission, so dass viele genau gleich gerichtete, gleichphasig schwingende Photonen entstehen.

Nun kann man mit einem teilweise durchlässigen Spiegel einen Teil der Strahlung als kohärentes Lichtbündel entweichen lassen und nutzen.

Laserleistung

Die stärksten Laser, die $CO_2$-Laser erreichen eine maximale Leistung von $1\ TW$ (!) im gepulsten und $100\ kW$ im Dauerstrich-Betrieb.

Die klassichen Helium-Neon-Gaslaser erreichen dagegen nur $50\ mW$.

Farbstofflaser mit ihrem breiten Wellenlängenspektrum erreichen Leistungen von $1\ MW$ im gepulsten Betrieb und $10\ W$ im Dauerstrichbetrieb.

Diese Zahlen stammen aus [2] von 1988 - entsprechen also wahrscheinlich nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik.

Fußnoten

...Atome^2.1

Atome, Ionen und Moleküle, der Kürze halber wird hier immer nur von Atomen gesprochen

... Energiequanten^2.2

$h$ ist die PLANCK-Konstante, $\nu$ (auch $f$) die Frequenz der Strahlung. Siehe Anhang B.1, Seite

... Ammoniak-Maser^2.3

1965 wurde der erste kosmische Maser entdeckt: Mikrowellenstrahlung ungewöhnlicher Intensität aus einem Gebiet des Orionnebels, inzwischen sind zahlreiche solcher Quellen gefunden worden.

... Oszillation^2.4

siehe Anhang A.2.3, Seite

... gepulst^2.5

kurze Lichtblitze, kontrolliert (gepulst) oder unkontrolliert (spiking), siehe Anhang A.1.2, Seite