Die wesentliche Grundlage für einen
Light Amplifikation by Stimulated Emission of Radiation
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Abb. 1: Spontane und induzierte Prozesse zwischen zwei Energieniveaus, die mit Nn bzw. Nm populiert sind. |
Im thermischen Gleichgewicht ist das Verhältnis F der spontanen zu induzierten Emissionsprozessen gegeben durch:
F = AmnNm/Bmu(ν)Nm = Amn/Bmn·[(Bnm/Bmn)ehν/kT−1]/[Amn/Bmn] = ehν/kT− 1
Im sichtbaren Spektralbereich, z.B. λ = 500 nm = c/ν (grün), erhält man für T = 300 K F = e96 = 5·1041
Also von 5·1041 Prozessen ist nur einer auf induzierte Emission zurückzuführen. Völlig anders jedoch im Mikrowellen-Spektralbereich, z.B. v = 1 GHz = 109 Hz erhält man (T = 300 K) F = 1,6·10−4. Also nahezu alle Prozesse laufen induziert ab. Ein Gleichgewicht zwischen spontanen und induzierten Prozessen (F = 1) erhält man bei 60µm.
Daher ist es nicht verwunderlich, dass der erste Laser im Mikrowellenbereich
technisch realisiert wurde (daher Maser)
(Townes und Mitarbeiter, 1954 NH3-Maser). Übrigens gibt
es Maser schon seit Jahrmillionen im Weltall, vorzugsweise in Regionen
der Sternbildung. Bisher beobachtet wurden OH-, H2O- und SiO-Maser.
Der OH-Maser wird eventuell über die chemische Reaktion H2O
(hn < 190 nm) →
OH + H oder auch über zustandsspezifische Stoßprozesse gebildet.
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Abb. 2: Hauptkomponenten eines Laseres |
Wie auch immer ein Laser im einzelnen aufgebaut sein mag, es muss in jedem Fall das energetisch höher liegende (obere) Niveau stärker besetzt sein als das energetisch tiefer liegende (untere) Niveau. Daher besteht jeder Laser aus drei Hauptkomponenten (Abb.2):
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Abb. 3: a) Dreiniveau-System beim Rubin-Laser und b) Vierniveau-System, auf das bis auf wenige Ausnahmen sämtliche Lasertypen basieren. |
Die Eigenschaften des Laserlichtes:
- Schmalbandig (zeitliche Koherenz):
Laser emittieren Licht nur in einem äußerst engen Bereich
Dn
um die ausgesandte Lichtfrequenz νL
(Rekord zur Zeit von Hänsch Dn/νL≈
10-15). Daher als Frequenznormal oder für höchstauflösende
Spektroskopie geeignet.
- Räumliche Kohärenz: Die
Lichtquelle im Resonator koppelt die Moleküle/Atome miteinander, so
dass eine Lichtstrahl entsteht, dessen Öffnungswinkel im Idealfall
nur durch die Unschärferelation begrenzt ist; d.h. die Divergenz ist
äußerst gering
θ » 2λ/πd |
Umgekehrt läßt sich ein solcher Strahl mit einer Linse auf
minimale Fleckgröße d fokussieren
d = λ/A |
Apertur A = D/f = Strahldurchmesser/Brennweite
- Kurze Lichtpulse:
Dank geeigneter technischer Mittel (Güteschaltung, Modenkopplung,
Pulskompression) können Lichtpulse von wenigen Nanosekunden bis herab
zu Femtosekunden erzeugt werden (Rekord z. Zt. 6 fs). Damit ist es prinzipiell
möglich, Reaktionen in Echtzeit zu verfolgen.
- Hohe Leistung:
Im kontinuierlichen Betrieb kann ein CO2-Laser Dauerleistungen
bis 100 kW erzielen. Gepulst erreicht man Spitzenleistungen von einigen
Gigawatt, ja bis zu 1012 Watt, wenn Verstärkerstufen eingesetzt
werden (Mehrphotonenprozesse können damit eingeleitet werden).
- Photonenstatistik:
Die Wahrscheinlichkeit P(n) n Photonen, die aus einer thermischen
Lichtquelle emittiert werden, zu beobachten ist durch Pt(n) =
<n>n/(<n>+1)
gegeben. Laserlicht georcht der Poissonstatistk: PL(n) = <n>/n!
e-<n>
(<n> = mittl.
Photonenzahl).