Atomphysik

Laser

Lasermedien

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

Lasermedien

Das Pumpen eines Zwei-Niveau-Systems

HTML5-Canvas nicht unterstützt!
1 Pumpen eines Zwei-Niveau-Systems

Bei der Darstellung der Absorption sowie der spontanen und der stimulierten Emission sowie des Lasereffektes wurde stets ein Atom mit zwei Energieniveaus, dem Grundzustand mit der Energie \(E_1\) und einem angeregten Zustand mit der Energie \(E_2\) dargestellt. Ein solches System wird „Zwei-Niveau-System“ genannt.

Um ein Lasermedium, das aus derartigen Atomen besteht, pumpen zu können, muss der angeregte Zustand metastabil sein, wovon wir erst einmal ausgehen wollen. Durch das Pumpen muss nun erreicht werden, dass sich mehr Atome im angeregten als im Grundzustand befinden, also eine Besetzungsinversion eintritt.

Wie man in der Animation sehen kann, regen hier zwar die zum Pumpen eingestrahlten Photonen die Atome durch Absorption an, andererseits stimulieren die eingestrahlten Photonen aber auch angeregte Atome wieder zur stimulierten Emission. Da - wie EINSTEIN gezeigt hat - die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der stimulierten Emission und der Absorption gleich hoch ist, gehen auf Dauer alle angeregten Atome wieder in den Grundzustand über, so dass keine Besetzungsinversion eintritt.

Man kann theoretisch zeigen, dass in einem Stoff, dessen Atome nur zwei Energieniveaus besitzen, prinzipiell kein Lasereffekt auftreten kann.

Das Pumpen eines Drei-Niveau-Systems

HTML5-Canvas nicht unterstützt!
2 Pumpen eines Drei-Niveau-Systems

Die Lösung des Problems liegt in Atomen mit drei oder mehr Energieniveaus („Drei-Niveau-System“, "Vier-Niveau-System"). Die in der Animation dargestellten Atome besitzen den Grundzustand mit der Energie \(E_1\), einen metastabilen (langlebigen) angeregten Zustand mit der Energie \(E_2\) und einen dritten angeregten Zustand mit der Energie \(E_3\). Dieser dritte angeregte Zustand ist sehr kurzlebig, d.h. dass sehr schnell nach der Anregung dieses Zustands der Übergang von \({E_3}\) auf \({E_2}\) geschieht. ( Hinweis: Die Abstände der Energieniveaus sind in der Realität meist nicht gleich groß, sondern unterschiedlich).

Das zum Pumpen eingestrahlte Photon regt das Atom von \({E_1}\) auf \({E_3}\) an. Der Zustand \({E_3}\) ist nicht stabil und das Atom geht sehr schnell in den Zustand \({E_2}\) über. Dieser Übergang ist meist strahlungsfrei, d.h. die dabei frei werdende Energie wird nicht als Photon, sondern in Form von Wärme abgegeben und erhitzt als Nebeneffekt das Lasermedium etwas. Weitere zum Pumpen eingestrahlte Photonen können wegen der nun nicht mehr "passenden" Photonenenergie das Atom nicht zu stimulierter Emission anregen. Das Atom bleibt also im angeregten metastabilen Zustand und das Photon kann weitere Atome anregen.

Schnell befinden sich mehr Elektronen auf \({E_2}\) als auf \({E_1}\). Es ist also eine Besetzungsinversion zwischen diesen beiden Energieniveaus eingetreten - der Lasereffekt kann beginnen.

Druckversion