Atomphysik

Laser

Bestandteile eines Lasers

  • Wie funktioniert ein Laser?
  • Was macht einen Laser so besonders?
  • Wo wendet man Laser an?

Bestandteile eines Lasers

 

Jeder Laser besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: dem Lasermedium, der Pumpe und dem Resonator. Im Folgenden werden der Aufbau, die Aufgaben und die Funktionsweisen dieser drei Komponenten beschrieben.

Das Lasermedium

Das Lasermedium dient zur Verstärkung des Laserlichtes durch die stimulierte Emission. Wie diese prinzipiell funktioniert wurde im vorherigen Abschnitt beschrieben.

Als Lasermedium können unterschiedliche Stoffe dienen. Es gibt feste, flüssige und gasförmige Varianten. Die Suche nach geeigneten Stoffen hat viele Jahre gedauert und noch heute wird in Forschungslaboren weltweit nach neuen Lasermedien gesucht. Ein Lasermedium muss aber auf jeden Fall die Eigenschaft haben, dass eine sogenannte Besetzungsinversion in ihm hergestellt werden kann. Was versteht man nun unter dieser Besetzungsinversion?

Besetzungsverhältnisse im thermischen Gleichgewicht

Man kann leicht überlegen, dass die Lichtverstärkung in einem Laser nur dann funktioniert, wenn die Zahl \(N_{\rm{stimuliert}}\)   der durch stimulierte Emission entstehenden Photonen pro Zeiteinheit größer ist, als die Zahl \(N_{\rm{absorbiert}}\) der durch das Lasermedium pro Zeiteinheit absorbierten Photonen. Damit also Lichtverstärkung möglich ist, muss gelten\[N_{\rm{stimuliert}} > N_{\rm{absorbiert}}\]EINSTEIN konnte zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der stimulierten Emission und der Absorption gleich hoch ist. Soll also Lichtverstärkung stattfinden, so müssen mehr Atome bzw. Moleküle im energetisch höheren Zustand sein als im energetisch niedrigeren.

Normalerweise (im thermischen Gleichgewicht) ist die Besetzungszahl des energetisch niedrigeren Niveaus aber stets höher als die des energetisch höheren Niveaus (vgl. nebenstehendes Bild). Um Lichtverstärkung zu erreichen, muss dieser Zustand umgekehrt werden, man braucht die sogenannte Besetzungsinversion. Diese gelingt aber nur bei bestimmten Medien (z.B. beim Rubinkristall oder bei einem Gasgemisch aus Helium und Neon) durch Ausnutzung spezieller atomarer Eigenschaften. Diese Eigenschaften werden im Abschnitt "Lasermedien" genauer erläutert.

Die Pumpe

Die Aufgabe aller Pumpen ist immer die gleiche: Energie in das System einbringen und dadurch eine Besetzungsinversion erzeugen. Dieser Vorgang wird Pumpen genannt, da Energie in das System "gepumpt" wird.

Die Anregung kann durch Lichteinstrahlung entstehen (optisches Pumpen), aber auch elektrische Prozesse, Wärme, Stöße mit anderen Teilchen und chemische Reaktionen können die benötigte Energie ins System übertragen und eine Besetzungsinversion erzeugen. Beispielsweise geschieht das Pumpen beim Rubinlaser durch eine starke Blitzlampe, beim He-Ne-Laser durch Elektronenstöße.

Der Resonator

Sind durch den Prozess von spontaner Emission im Lasermedium Photonen freigeworden und haben diese anschließend durch stimulierte Emission weitere Photonen mit gleicher Energie und Bewegungsrichtung freigesetzt, so zeigen sich zwei Probleme:

Die Photonen bewegen sich in eine rein zufällige Richtung.

Es sind noch sehr wenige Photonen, das Laserlicht ist also noch sehr schwach.

Beide Probleme löst der sogenannte Resonator auf genial einfache Weise. Zusätzlich deutet sein Name schon auf eine weitere Aufgabe hin, die gleich näher beschrieben wird. Und letztendlich wird auch der Austritt des Laserstrahls aus dem Laser durch den Resonator geregelt.

Der Resonator besteht aus einer Anordnung von zwei Spiegeln. Diese werden genau parallel zueinander aufgestellt. Zwischen den beiden Spiegeln befindet sich das Lasermedium. Besteht das Medium aus einem Feststoff, werden die Spiegel häufig direkt auf zwei gegenüberliegende Flächen aufgeklebt oder aufgedampft.

1. Die Verstärkung und die Ausrichtung des Laserstrahls

3 Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise des Resonators

Das Licht, das nicht exakt senkrecht auf die Spiegel fällt, verlässt dagegen das Lasermedium. Deshalb wird es nicht weiter verstärkt und bleibt sehr schwach. Damit ist das erste oben angesprochene Problem gelöst: Der Resonator sorgt dafür, dass nur Licht in einer bestimmten Richtung verstärkt wird.Sind durch den Pumpvorgang möglichst viele Atome von außen angeregt worden, so entstehen einige Photonen durch spontane Emission, die sich in Richtung der Spiegel bewegen, von diesen zurückreflektiert werden und sich anschließend wieder durch das Lasermedium bewegen. Durch stimulierte Emission können weitere Photonen erzeugt werden, die nach Reflexion an den Spiegeln ebenfalls in das Medium zurückkehren. Dieser Prozess schaukelt sich lawinenartig auf, das Licht wird verstärkt.

Dieses Prinzip im Resonator sorgt dafür, dass auch der Laserstrahl außerhalb des Lasers näherungsweise parallel verläuft und sich nur sehr wenig aufweitet.

Diese Animation zeigt, wie Licht im Resonator verstärkt wird. In der Animation wird für die stimulierte Emission der Begriff induzierte Emission verwendet. Beide Begriffe haben dieselbe Bedeutung.

2. Die Resonanz im Resonator

 

Der Name „Resonator“ deutete schon an, dass es irgendwo eine Resonanz geben muss. Betrachten wir die Welleneigenschaften des Lichtes, das sich zwischen den beiden Spiegeln hin- und her bewegt.

Von Spaltexperimenten wissen wir, dass Licht unter geeigneten Bedingungen interferiert. Also kann sich Licht durch konstruktive Interferenz verstärken und durch destruktive Interferenz abschwächen. Auch das sich zwischen den Spiegeln bewegende Licht kann sich abschwächen, wenn der Abstand der Spiegel nicht exakt eingestellt ist. Ist der Abstand genau richtig, bildet sich eine stehende Welle zwischen den Spiegeln aus und das Licht wird optimal verstärkt. Dieser Abstand entspricht einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des Laserlichtes. Damit ist auch das zweite oben angesprochene Problem gelöst: Der Resonator sorgt dafür, dass das Licht durch konstruktive Interferenz verstärkt wird.

 

3. Der Austritt des Laserstrahls

Doch wie kommt das Laserlicht aus dem Resonator heraus? Aus dem Alltag kennt man Spiegel, die das ganze auf sie fallende Licht auch wieder zurückreflektieren. Man kann aber auch Spiegel bauen, die Licht nur teilweise reflektieren und den anderen Teil des Lichtes hindurch lassen. Diese Spiegel nennt man teildurchlässige Spiegel.

Im Laser ist einer der beiden Spiegel des Resonators genau so ein teildurchlässiger Spiegel, der sogenannte Auskoppelspiegel. Je nach Laser-Typ lässt er zwischen \(50\% \) und \(1\% \) des Lichtes aus dem Laser austreten. Das restliche Licht bleibt im Resonator und kann weiter verstärkt werden.

Das austretende Licht ist der uns allen bekannte Laserstrahl.

Zusammenfassung

Alle Laser bestehen aus drei Komponenten: dem Lasermedium, der Pumpe und dem Resonator.

Die Pumpe bringt Energie ins Lasermedium, damit in ihm eine Besetzungsinversion erzeugt wird.

Im angeregten Lasermedium entsteht durch spontane Emission das Laserlicht, das durch stimulierte Emission verstärkt wird.

Zwischen den parallel angeordneten Spiegeln des Resonators richtet sich das Laserlicht aus und verstärkt sich durch konstruktive Interferenz. Einer der Spiegel ist teildurchlässig und lässt den Laserstrahl aus dem Laser hinaus.

Hinweis: Die Website des PhET Projekts bietet ein sehr gutes JAVA-Applet an, mit dem Du die Vorgänge in einem Laser simulieren kannst.

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