Die Generation der Laser

Die Generation der Laser
Die Erzeugung von Lasern wurde 1916 von Einstein mit seiner Theorie der „spontanen und stimulierten Emission“ vorgeschlagen. Diese Theorie bildet die physikalische Grundlage moderner Lasersysteme. Die Wechselwirkung zwischen Photonen und Atomen kann zu drei Übergangsprozessen führen: stimulierter Absorption, spontaner Emission und stimulierter Emission. Solange stimulierte Emission aufrechterhalten und stabil sein kann, lassen sich Laser erzeugen. Daher müssen spezielle Geräte – Laser – hergestellt werden. Ein Laser besteht im Allgemeinen aus drei Hauptkomponenten: dem Arbeitsmedium, der Anregungsvorrichtung und dem optischen Resonator.

1. Wirkstoff

Die Substanz in einem Laser, die Laserlicht erzeugt, wird als Arbeitsmedium bezeichnet. Normalerweise ist die Verteilung der Atomzahlen in diesem Medium auf den einzelnen Energieniveaus normalverteilt. Die Anzahl der Atome auf dem niedrigeren Energieniveau ist stets größer als auf dem höheren. Daher überwiegt beim Durchgang von Licht durch das Arbeitsmedium im Normalzustand die Absorption, und das Licht wird abgeschwächt. Um das Licht nach dem Durchgang durch das Arbeitsmedium zu verstärken und eine Lichtverstärkung zu erzielen, muss die stimulierte Emission überwiegen. Damit die Anzahl der Atome auf dem höheren Energieniveau größer ist als auf dem niedrigeren, ist diese Verteilung umgekehrt zur Normalverteilung. Dieses Phänomen wird als Teilchenzahlumkehr bezeichnet.
2. Erregungsvorrichtung
Die Funktion der Anregungsvorrichtung besteht darin, Atome von einem niedrigeren Energieniveau auf ein höheres Energieniveau anzuregen, wodurch im Arbeitsmaterial eine Teilchenzahlumkehr erreicht wird. Die Energieniveaus des Materials umfassen den Grundzustand, den angeregten Zustand sowie einen metastabilen Zustand. Der metastabile Zustand ist weniger stabil als der Grundzustand, aber deutlich stabiler als der angeregte Zustand. Atome können relativ lange im metastabilen Zustand verbleiben. Beispielsweise besitzen die Chromionen (Cr³⁺) im Rubin einen metastabilen Zustand mit einer Lebensdauer in der Größenordnung von 10⁻³ Sekunden. Nachdem das Arbeitsmaterial angeregt wurde und die Teilchenzahlumkehr erreicht ist, breiten sich die Photonen der stimulierten Strahlung aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen der spontan emittierten Photonen zunächst ebenfalls unterschiedlich aus. Dies führt zu hohen Verlusten bei der Ausgangsleistung und Absorption; eine stabile Laserleistung kann nicht erzeugt werden. Um die stimulierte Strahlung im begrenzten Volumen des Arbeitsmaterials aufrechtzuerhalten, ist ein optischer Resonator zur Selektion und Verstärkung des Lichts erforderlich.
3. Optischer Resonator
Es handelt sich um zwei zueinander parallele Spiegel, die an beiden Enden des Arbeitsmediums senkrecht zur Hauptachse angebracht sind. Ein Ende ist ein Totalreflexionsspiegel (mit einem Reflexionsgrad von 100 %), das andere Ende ein teildurchlässiger und teilreflektierender Spiegel (mit einem Reflexionsgrad von 90 % bis 99 %).
Die Funktionen des Resonators sind: ① Erzeugung und Aufrechterhaltung der optischen Verstärkung; ② Auswahl der Richtung des austretenden Lichts; ③ Auswahl der Wellenlänge des austretenden Lichts. Bei einem bestimmten Arbeitsmedium ist die tatsächliche Wellenlänge des emittierten Lichts aufgrund verschiedener Faktoren nicht eindeutig, und das Spektrum weist eine gewisse Breite auf. Der Resonator kann eine Frequenzselektion bewirken und so die Monochromasie des Lasers verbessern.