Gehört zu: Physik
Siehe auch: Atommodell, Quantenphysik

Stand: 27.03.2025

Wie funktioniert ein Laser?

Das Wort “Laser” steht für: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”.

Die Wikipedia schreibt dazu: Stimulierte Emission oder induzierte Emission heißt die Emission eines Photons (durch ein angeregtes Atom), wenn sie nicht spontan erfolgt, sondern durch ein anderes Photon ausgelöst wird.

Theodore H. Maiman baute den ersten funktionsfähigen Laser, einen Rubinlaser, den er am 7. Juli 1960 der Öffentlichkeit vorstellte.

Anregung eines Atoms

Ein Atom nennt man “angeregt”, wenn sich ein oder mehrere Elektronen auf höheren Energie-Niveaus befinden als “normal”.

Um ein Atom so anzuregen, muss von außen Energie zugeführt werden.

Die angeregten Elektronen haben dann die Tendenz, auf das niedrigere Energie-Niveau zurück zu fallen. In so einem Falle, würde die Energie-Differenz als Photon abgestrahlt (=emittiert). So ein “Rücksturz” auf das niedrigere Energie-Niveau kann “spontan” erfolgen, oder durch “Stimulation”.

Wir wollen ein Atom mit Photonen bestrahlen. Was kann dabei passieren?

a) Absoption d.h. Anregung des Atoms mit evtl. späterer Emission (spontan oder stimuliert)

b) Stimulierte Emission, wenn angeregte Energie-Niveaus bereits mit Elektronen besetzt sind.

Spontane Emission

Wenn Elektronen von einem Zustand höherer Energie spontan (also ohne äußeres Zutun) zurückfallen auf ein niedrigeres Energie-Niveau wird eine Strahlung emittiert, die genau der Energiedifferenz der beiden Energie-Niveaus entspricht. Die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung ergibt sich aus der bekannten Formel:

\( \Delta E = h \nu \)

Auf diesem Wege entsteht eine Serie von Spektrallinien z.B. die Balmer-Serie etc.

Es werden so viele Photonen emittiert, wie Elektronen diesen Engergie-Rücksprung machen.

Einstrahlende Photonen

Wenn Elektronen auf ein Atom geschossen werden, können unterschiedliche Dinge passieren. Zur Vereinfachung betrachten wir zunächsteinmal zwei Energie-Niveaus für die Elektronen des Atoms: E₁ und E₂ und wir beschießen das Atom mit Photonen, die genau dieDifferenz- Energie E₂ – E₁ haben. Da gibt es zwei Fälle:

1) Wenn auf dem höheren Enegie-Niveau (E₂) keine Elektronen sind und auf dem niederigerem (E₁) befinden sich ein oder mehrere Elektronen, dann wird das Atom angeregt, soll heissen ein Elektron springt vom niedrigeren Energie-Niveau auf das höhere. Die Energie des Phontons wird dabei verbraucht. Wir sagen das Photon wird absobiert.

2) Wenn sich auf dem höheren Engergie-Niveau (E₂) ein oder mehrere Elektronen befinden und auf dem niedrigeren (E₁) befinden sich keine Elektronen, dann fällt ein Elektron vom höheren Niveau (E₂) herunter auf das niedrigere Niveau (E₁) und ein entsprechendes Photon wird emittiert. Da diese Emission nicht spontan erfolgte, sondern durch das einfallende Photon ausgelöst (“induziert” oder “stimuliert”) wird, spricht man von Stimulierter Emission. Das einfallende Photon wird dabei nicht “verbraucht”, sondern bleibt erhalten.

In der Bilanz machen wir so aus einem einfallend Photon zwei ausfallende (emittierte) Photonen; d.h. wir haben eine Verstärkung der Lichtintensität. Ausserdem hat was “neue” Photon die identischen Eigenschaften wie das einfallende Photon – das sagen die Gesetze der Quantenphysik; d.h. gleich sind: Frequenz, Richtung, Phase, Polarisation etc. –  wir bekommen also kohärentes, monochromatisches Licht.

Leider ist “normalerweise” die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für Elektronen auf dem unteren Niveau (E₁) viel größer als die Aufenthaltswahrscheinlichkeit auf dem höheren Niveau (E₂) – so sagt es die Boltzmann-Verteilung. Für die Stimulierte Emission benötigen wir eine Umkehr (“Inversion”) dieser Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Um einen funktionierenden Laser zu erzielen, brauchen wir also eine “invertierte Besetzung” der Energie-Niveaus in den angeregten Atomen. Dies wird durch das sog. Pumpen erreicht.