Nachdem wir die allgemeinen Grundlagen kennengelernt haben, die sich auf alle Laser-Typen gleichermaßen beziehen, werden wir nun den Helium-Neon-Laser als konkretes Beispiel betrachten.
Der Aufbau
Das Medium – ein Gas aus zwei Komponenten
Herzstück des Lasers ist ein Glasrohr mit einem Durchmesser von ca. \(1\,\rm{mm}\). Das Gas darin hat einen geringen Druck und besteht aus einer Mischung aus \(80\% \) Helium- und \(20\% \) Neon-Atomen. Die Neon-Atome sind das laseraktive Medium, in dem die Besetzungsinversion erzeugt wird.
Die Pumpe – Hochspannung erzeugt eine Gasentladung
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Nahe den Enden des Glasrohrs sind zwei Elektroden eingebaut: die Kathode und Anode. Bei angelegter Hochspannung werden an der Kathode Elektronen ins Gas abgegeben und an der Anode wieder abgezogen.
Der Resonator – zwei Spiegel führen das Licht
An den beiden Enden des Glasrohrs sind zwei parallele Spiegel befestigt. Einer der Spiegel ist teildurchlässig und ca. 2% des Lichtes können hier austreten. Dieses Lichtbündel wird etwas salopp als Laserstrahl bezeichnet.
Die Funktionsweise des Helium-Neon-Lasers
Das Pumpen bringt Energie ins System
Im Helium-Neon-Laser wird zum Pumpen nicht Licht verwendet, sondern elektrische Energie. Eine Hochspannungsquelle wird an die Elektroden des Glasrohrs angeschlossen. Dadurch kommt es zu einer Gasentladung. Das bedeutet, dass sich Elektronen durch das Gas bewegen und auf ihrem Weg durch Stöße die Gasatome ionisieren. Dabei werden weitere Elektronen frei, die ihrerseits (durch die angeschlossene Spannung beschleunigt) mit den Helium- und Neon-Atomen zusammenstoßen.
Die durch die Stöße übertragene Energie regt primär die Helium-Atome an. Diese angeregten Helium-Atome können durch Stöße wiederum weitere Neon-Atome anregen. So kommt es in den Neon-Atomen zu einer Inversion.
Im folgenden Abschnitt betrachten wir die Energieniveaus und die Übergänge in dem Gasgemisch genauer.
Das Laserlicht entsteht – ein Zusammenspiel mehrerer Komponenten
Bis jetzt sprachen wir immer einfach von „höheren“ und „tieferen“ Energieniveaus. Nun werden wir am Beispiel des He-Ne-Lasers konkreter.
Um die Energien zu beschreiben nutzen wir die Einheit Elektronenvolt (\( \rm{eV}\)). Diese ist keine SI-Einheit, findet aber in der Physik der kleinen Teilchen sehr viel häufiger Anwendung als das Joule, da es „handlicher“ ist: Die Physikerinnen und die Physiker sagen lieber „Der Stoß der Atome überträgt \(1\,\rm{eV}\)“ als „Der Stoß überträgt \(1{,}602 \cdot {10^{ - 19}}\,\rm{J}\)“.
1. Schritt
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In einem Helium-Atom geschieht dabei Folgendes: Durch die Stöße mit den schnellen freien Elektronen der Gasentladung wird Energie auf das Helium-Atom übertragen. Vor dem Stoß war das Atom im energetischen Grundzustand, nun ist es angeregt, da das Atom von dem Energieniveau \(E_{\rm{1,He}}\) auf \(E_{\rm{2,He}}\) gewechselt ist. Das Atom hat durch den Stoß \(20{,}61\,\rm{eV}\) Energie aufgenommen.
Dieser Zustand ist metastabil, bleibt also verhältnismäßig lange erhalten.
2. Schritt
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Nun sind in einem Gas die Teilchen ständig in Bewegung und stoßen miteinander zusammen. Trifft ein angeregtes Helium-Atom auf ein Neon-Atom im energetischen Grundzustand, kann das Helium-Atom seine gesamte Anregungsenergie bei der Kollision auf das Neon-Atom übertragen.
Die Energieniveaus sind zwar nicht exakt gleich, aber die noch fehlende Energie von \(0{,}05\,\rm{eV}\) bringt der Stoßprozess in Form von kinetischer Energie selbst mit ein.
Das Neon-Atom hat nun ein Energieniveau, das \(20{,}66\,\rm{eV}\) über seinem energetischen Grundzustand liegt.
3. Schritt
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Das Energieniveau \(E_{\rm{3,Ne}}\) im Neon-Atom ist auch metastabil. Salopp gesagt „wartet“ das Atom ab, bis ein passendes Photon „vorbeikommt“ und eine stimulierte Emission auslöst.
Passiert dies, geht das Atom nicht direkt auf den Grundzustand zurück, sondern zunächst auf \(E_{\rm{2,Ne}}\). Dieses liegt \(1{,}96\,\rm{eV}\) unter \(E_{\rm{3,Ne}}\).
4. Schritt
Der Zustand \(E_{\rm{2,Ne}}\) ist sehr kurzlebig. Nach kurzer Zeit fällt das Atom durch spontane Emission und Stöße mit dem Glas des Rohrs auf \(E_{\rm{1,Ne}}\). Nun kann das Neon-Atom wieder durch ein Helium-Atom angeregt werden. Der Prozess beginnt von Neuem.
Die obige Darstellung der Energieniveaus und der Übergänge in den Atomen ist vereinfacht dargestellt, damit der wesentliche Prozess besser gezeigt werden kann. Du fragst dich vielleicht, ob auch Neon-Atome durch die Gasentladung direkt angeregt werden können. Nun, dies geschieht zwar auch, aber bei Helium-Atomen ist die Wahrscheinlichkeit für eine Anregung viel größer.
Betrachtet man statt der Vereinfachung die genauen Übergänge, so sieht man das insgesamt vier Energieniveaus beteiligt sind. Da vier Energieniveaus beteiligt sind, ist der Helium-Neon-Laser ein sogenanntes "Vier-Niveau-System".
Der Resonator bestimmt die Richtung des Laserlichtes
Wir haben nun ein Medium, in dem per stimulierter Emission Photonen der Wellenlänge \(\lambda = 633\,\rm{nm}\) verstärkt werden können.
Die stimulierte Emission wird durch Photonen ausgelöst, die durch spontane Emission entstanden sind. Wie im Abschnitt Stimulierte (induzierte) Emission erläutert, bewegen sich diese spontan emittierten Photonen in eine beliebige Richtung. Auf ihrem Weg durch das Gas lösen sie stimulierte Emissionen aus.
An den Enden des Glasrohres sind zwei Spiegel angebracht. Die Photonen, die senkrecht auf einen der beiden Spiegel treffen, werden reflektiert und bewegen sich wieder durch die angeregten Neon-Atome des Gases. Bei jedem Durchlauf des Glasrohres kommt es zu einer Verstärkung dieses Lichtes.
Alle Photonen, die nicht senkrecht auf die Spiegel treffen, verlassen das Glasrohr und sind für den Laserprozess verloren. Sie verursachen das rote Leuchten des Gases im Glasrohr.
Das Laserlicht wird im Resonator verstärkt und verlässt den Laser
Um die optimale Leistung des Lasers zu erreichen, müssen die beiden Spiegel des Resonators so eingestellt werden, dass der Abstand zwischen ihnen einem Vielfachen der halben Wellenlänge des Laserlichtes entspricht. So kann sich eine stehende Lichtwelle zwischen ihnen bilden. Wenn der Abstand nicht genau eingestellt ist, kommt es durch destruktive Interferenz zu einer Abschwächung des Laserlichtes.
Da einer der beiden Spiegel des Resonators für das Licht teildurchlässig ist, können ca. \(2\% \) des Lichtes aus dem Resonator austreten - der Laserstrahl wird sichtbar.
Die Eigenschaften des Helium-Neon-Lasers
Der Helium-Neon-Laser emittiert rotes Licht der Wellenlänge \(\lambda = 633\,\rm{nm}\). Es handelt sich um einen sogenannten Dauerstrichlaser, d.h. er strahlt, wenn er eingeschaltet ist, dauerhaft Licht aus (Mehr dazu im Abschnitt Laser-Typen).
Das Licht ist nahezu monochromatisch, besitzt eine ausgezeichnete Kohärenz (d.h. die relativ langen, vom Laser ausgesandten Wellenzüge haben untereinander eine feste Phasenbeziehung) und weitet sich über große Strecken kaum auf, ist also näherungsweise parallel. Somit ist der Laserstrahl bestens für viele Arten von Interferenzexperimenten geeignet.
Nachteile des Helium-Neon-Lasers sind seine geringe Ausgangsleistung (man kann mit ihm keine Materialien erhitzen geschweige denn schneiden) und sein relativ großer und aufwendiger Aufbau. Zudem kann er leicht kaputt gehen.