Funktionsweise eines Lasers

Ein LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist eine Lichtquelle, in der Licht durch stimulierte Emission erzeugt wird. Ein großer Teil der Elektronen der Atome eines laser-aktiven Mediums werden auf einen angeregten Zustand gebracht. Wenn dann ein Photon mit der gleichen Energie wie die Energiedifferenz zwischen angeregtem und niederem Zustand das Atom passiert, löst es den Übergang eines Elektrons in den niederen Zustand aus. Damit einhergehend erfolgt auch die Emission eines weiteren Photons mit der gleichen Frequenz, gleichen Phase und gleichen Richtung wie das ursprüngliche. Daher haben alle Photonen im Laser fast die gleiche Frequenz (monochromatisch), die gleiche Phase (kohärent) und die gleiche Richtung.

Stimulierte Emission

Wenn sich ein Elektron in einem Atom in einem angeregtem Zustand befindet, kann ein Photon, dessen Energie die Differenz zwischen dem angeregten und niederen Zustand, den Übergang des Elektrons in diesen niederen Zustand auslösen. Dabei wird die Energie, die das Elektron dabei verliert, in Form eines weiteren Photons abgestrahlt. Dieses Photon hat dann die gleiche Energie wie das einfallende Photon und damit auch die gleiche Frequenz $$f_0$$. Es übernimmt aber auch die Phase $$\phi_0$$​ und wird in die gleiche Richtung emittiert, wie das einfallende Photon.

​Damit haben dann alle Photonen im Laser die gleiche Wellenfunktion. Im unten dargestellten Beispiel mit Ausbreitungsrichtung entlang der x-Achse erhalten wir für alle Photonen $$\gamma$$​ die folgende Wellenfunktion:

​$$\vec{\gamma}(\vec{r},t) = \begin{pmatrix}0 \\ B\\ E\end{pmatrix}\sin\left(\omega_0\left[t-\dfrac{x}{c}\right]+\phi_0\right), \quad f_0 = \dfrac{\omega_0}{2\pi}$$​​

Besetzungsinversion

Man versucht nun ein Material zu finden, in dem die Elektronen zwei Zustände mit der Energiedifferenz haben, die der gewünschten Frequenz entsprechen.

​$$\Delta E = E_2 - E_1 = h\cdot f_0$$​​

Jetzt will man natürlich möglichst viele Elektronen gleichzeitig in diesen höher-energetischen Zustand versetzen. Da Quantenteilchen spontan in niederenergetische Zustände wechseln, befinden sich normalerweise die meisten Elektronen im Grundzustand, das heißt der niedrigste Zustand. Daher spricht man von einer Besetzungsinversion, wenn man eine Mehrheit der Elektronen auf einen angeregten Zustand bringt. Um eine Besetzungsinversion zu erreichen, muss man das laser-aktive Material mit Energie pumpen, zum Beispiel durch Gasentladung, und zwar muss man die Elektronen schneller auf angeregte Zustände bringen als sie spontan in den niederen Zustand wechseln. Verschiedene Materialien haben nicht nur Zustände mit unterschiedlichen Energien, sondern diese Zustände haben auch unterschiedliche Verfallszeiten. Man sucht also nach höheren Zuständen, die eine möglichst lange Lebensdauer haben, sogenannte metastabile Zustände.

Resonator

Ein Resonator hat den unten abgebildeten Aufbau. Man hat auf der einen Seite ein möglichst hoch reflektierenden Spiegel (kleine Absorptionsrate) und auf der anderen Seite des laser-aktiven Mediums einen teildurchlässigen Spiegel. Meistens soll dessen Reflexion viel höher sein als die Transmission. Damit erreicht man, dass sich ein Photon mehrere Male hin und her bewegt, bevor es durch den teildurchlässigen Spiegel ausgestrahlt wird. Dabei kann es wiederholt weitere Photonen auslösen. Man muss dabei die stimulierte Emission einmal aktivieren und danach nur noch Energie nachpumpen, da die Reaktion durch hin und her flitzenden Photonen weitergeführt wird.

1. laseraktives Medium
   
2. Spiegel
3. Energie
4. teildurchlässiger Spiegel