Laser

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Einleitung

Laser, Kurzbezeichnung für einen Lichtverstärker.

Laser steht für den englischen Ausdruck light amplification by stimulated emission of radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsfreisetzung. Laserlicht kann im Spektralbereich zwischen Infrarot- und Ultraviolettstrahlung erzeugt werden und ist monochromatisch (eine Spektrallinie) sowie kohärent – ein Lichtstrahlenbündel ist kohärent, wenn sich alle seine Wellen bzw. Photonen phasengleich ausbreiten (siehe Interferenz). Dies ist der Grund, weshalb sich Laserlicht mit extrem hoher Intensität, äußerst geringer Strahlaufspaltung und hoher Farbreinheit (Frequenzschärfe) erzeugen lässt. Maser sind Pendants der Laser im Bereich der Mikrowellen.

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Funktionsprinzip

Das Grundprinzip von Lasern hat folgenden physikalischen Hintergrund: Atome, Ionen und Moleküle können in verschiedenen Energiezuständen vorkommen. Befindet sich beispielsweise ein Atom in einem angeregten Zustand (auf einem höheren Energieniveau), so kann es nach einer gewissen Zeitspanne in einen energetisch niedrigeren Zustand übergehen. Zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand können energetisch weitere Niveaus liegen. Der Übergang kann also auch stufenweise erfolgen, wobei das angeregte Atom die Anregungsenergie in Form von Photonen abgibt (spontane Emission). Jedes dieser Photonen ist seinerseits in der Lage andere Atome zur Strahlungsemission anzuregen, d. h. die spontan freigesetzten Photonen stimulieren andere Atome zur Aussendung weiterer Photonen (stimulierte Emission) und gehen aus diesem Prozess unverändert hervor. Sowohl die spontan emittierten, als auch die stimuliert freigesetzten Photonen stimmen in Energie, Ausbreitungsrichtung und Phase überein. Gemeinsam können beide Photonenarten noch mehr Atome zur Strahlungsemission anregen.

Laser nutzen zur Erzeugung von angeregten Atomen eine äußere Energiequelle. Beim so genannten optischen Pumpen (siehe unten) bestrahlt man das Lasermaterial mit einer Wellenlänge und bringt auf diese Weise überdurchschnittlich viele Atome in den angeregten Zustand. Die eigentliche Verstärkung besteht nun darin, mit Hilfe der stimulierten Emission innerhalb eines Zeitabschnittes mehr Photonen zu erzeugen als zu vernichten (z. B. Vernichtung durch Absorption). Ein weiterer Aspekt ist die Besetzungsdichte mit Photonen, die bei den energetisch niedrigeren Zuständen natürlicherweise größer ist als bei energetisch höher gelegenen Niveaus. Um diese Verhältnisse umzukehren (dies bezeichnet man als Inversion) muss die externe Energiequelle so auf das Lasermedium einwirken, dass bestimmte höher gelegene Energiezustände bevorzugt besetzt werden. Als Folge dieses optischen Pumpens wächst die Photonenemission im Atomverband schließlich lawinenartig an. Diese Vorgänge laufen in der so genannten optischen Verstärkereinheit des Lasers ab.

Neben dem optischen Verstärker enthalten Laser zusätzlich einen so genannten Resonator. Dabei handelt es sich um ein System aus zwei parallelen Spiegeln, zwischen denen die Photonen hin- und hergeworfen werden und die Prozesse im Verstärker vervielfältigen. Der Spiegel auf der Seite des Laseraustritts ist zu einem gewissen Prozentsatz (meist 98 Prozent) lichtdurchlässig. Im Gegensatz dazu lässt der Spiegel auf der anderen Seite kein Licht durch.

Beim so genannten Random-Laser übernehmen Licht streuende Teilchen, wie z. B. pulverisiertes Glas, Flüssigkristalle oder auch Partikel bestimmter Farbstoffe die Rolle der optischen Spiegel. Stärke und Farbe von Random-Laser sind temperaturabhängig, d. h., sie lassen sich durch Erwärmen oder Abkühlen der Resonatoreinheit beeinflussen.

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Geschichtliches

Bereits 1917 lieferte Albert Einstein eine der ersten theoretischen Abhandlungen, die sich mit dem Thema stimulierte Emission befassten. Den ersten experimentellen Nachweis für eine stimulierte Emission gelang 1928. Im Jahr 1958 beschrieben die Amerikaner Arthur Leonard Schawlow und Charles Hard Townes die Funktionsprinzipien des Lasers in ihrer Patentschrift. Das Patent wurde ihnen zwar zugewiesen, später aber von dem amerikanischen Physiker und Techniker Gordon Gould angefochten. Den ersten experimentellen Nachweis für den Lasereffekt brachte 1960 der amerikanische Physiker Theodore Maiman – er prägte den Begriff „Laser”. Maiman nutzte als Lasermaterial einen Rubinkristall. Ein Jahr später baute der im Iran geborene amerikanische Physiker Ali Javan den ersten Helium-Neon-Gaslaser; 1966 schließlich konstruierte der amerikanische Physiker Peter Sorokin den ersten auf einem flüssigen Medium basierenden Laser. Es folgten verschiedene Laser auf Halbleiterbasis.

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Lasertypen

Entsprechend dem jeweiligen Arbeitsmedium unterscheidet man grundsätzlich Festkörper-, Gas-, Halbleiter- und Flüssigkeitslaser.