LASER

Die wesentliche Grundlage für einen

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:

u(ν) = spektrale Strahlungsdichte (Details gibt's hier)

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.
 

Abb. 2: Hauptkomponenten eines Lasers

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):

• Pumpquelle, die Energie in das
• Lasermedium hineinpumpt und einen
• Resonator, der gewährleistet, dass über die induzierte Emission die Besetzung des oberen Niveaus rückgekoppelt abgebaut wird.

 

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 ν_L (Rekord zur Zeit von Hänsch ^Dn/ν_L≈ 10^-15). Daher als Frequenznormal oder für höchstauflösende Spektroskopie geeignet.

- Räumliche Kohärenz: Die Lichtquelle im Resonator koppelt die Moleküle/Atome miteinander, so dass ein Lichtstrahl entsteht, dessen Öffnungswinkel im Idealfall nur durch die Unschärferelation begrenzt ist; d.h. die Divergenz ist äußerst gering

Umgekehrt läßt sich ein solcher Strahl eines Durchmessers D mit einer Linse auf minimale Fleckgröße d fokussieren.

Hier steht f für die Brennweite der Linse. Da das Verhältnis Brennweite zu Linsendurchmesser bei den besten Linsen bei 0,8 liegt, kann als Faustregel abgeleitet werden, daß die minimale Fleckgröße der halben Lichtwellenlänge entspricht.

- 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:
Wenn wir von einer Lichtquelle ausgehen und für ein definiertes Volumenelement die von der Lichtquelle ausgehenden Photonen zählen, ergeben sich für thermische Lichtquellen und Laser grundlegend verschiedene Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Im Folgenden wird die Wahrscheinlichkeit, mit der im Volumenelement n Photonen detektiert werden, als P(n) dargestellt.

Für eine thermische Lichtquelle, die Wahrscheinlichkeit entspricht folgender Verteilungsfunktion. Die Werte in der graphischen Darstellung rechts beruhen auf einer Photonenanzahl von 50 als Mittelwert <n> und entsprechen somit 101 betrachteten Fällen zwischen n = 0 als minimalem und n = 100 als maximalem Zählergebnis.
Im Gegensatz dazu folgt bei Lasern als Lichtquelle die Wahrscheinlichkeit PL<n> gewisser Zählergebnisse der Poisson-Verteilung.

Auf diesem Webangebot gilt die Datenschutzerklärung der TU Braunschweig mit Ausnahme der Abschnitte VI, VII und VIII.