2. Der Laser

Durch die Messung der Spektren wurde die Verschiedenartigkeit des Lichts der Entladungslampe und des Lasers festgestellt. Wie kommt es nun zur Entstehung des Laserlichts aus dem Licht der Entladungslampe? Um dies verstehen zu können, müssen die Wechselwirkungen von Licht und Materie betrachtet werden.

Absorption und Emission

Für die folgenden Überlegungen werden wir Licht als Teilchenstrahlung, Photonen betrachten, siehe die SEOS-Lerneinheit Spektren der Erde. Photonen breiten sich mit der Lichtgeschwindigkeit c aus. Im Vakuum (und näherungsweise in Luft) ist c=2,998·10⁸ m/s.

Photonen haben die Energie         $E=hf$

wobei h=6.626·10_-34 J s das Plancksche Wirkungsquantum ist. f ist die Frequenz des gleichen Lichts, wenn man es als elektromagnetische Welle betrachtet. Mit der Beziehung

lässt sich die Photonenenergie auch als Funktion der Wellenlänge λ der elektromagnetischen Welle schreiben:

Bei der Wechselwirkung von Photonen mit Atomen oder Molekülen können drei Möglichkeiten eintreten (siehe auch die Grafik rechts oben):

• Absorption

  Ein Photon trifft auf ein Atom und wird von diesem absorbiert. Die Energie $E=hf$ des Photons geht dabei auf das Atom über und versetzt dieses in einen energetisch angeregten Zustand.
  
  

• Spontane Emission

  Ein angeregtes Atom emittiert ein Photon. Dabei geht das Atom in einen Zustand niedrigerer Energie über (der tiefste Zustand ist der Grundzustand). Die Energiedifferenz $\Delta E$ der beiden Zustände bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts: $E=hc/\lambda =\Delta E$. Die Richtung der Emission ist zufällig.
  
  

• Induzierte Emission

  Voraussetzung für induzierte Emission ist ein Photon mit der Energie $\Delta E$. Trifft es auf ein angeregtes Atom, das einen Übergang mit einer Energiedifferenz $\Delta E$ durchführen kann, die identisch zur Energie des eintreffenden Photons ist, kann ein weiteres Photon der Energie $E=hc/\lambda =\Delta E$ emittiert werden. Dieses zweite Photon ist identisch mit dem ersten, dem ‘induzierenden’ Photon: es besitzt die gleiche Energie und breitet sich in die gleiche Richtung aus. Im Wellenmodell bedeutet dies identische Wellenlängen, Phasen und Ausbreitungsrichtungen der beiden Teilwellen.

Wechselwirkung eines Photons mit zwei Energieniveaus eines Atoms. Links: Absorption überführt das Atom vom Grundzustand in den angeregten Zustand. Mitte: Spontane Emission überführt das Atom vom angeregten in den Grundzustand. Rechts: Induzierte Emission eines Photons durch ein Photon, das mit dem Atom im angeregten Zustand wechselwirkt.

Die bei der induzierten Emission entstehenden Photonen könen - wie in der linken Spalte beschrieben - von den induzierenden Photonen nicht unterschieden werden. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die Photonenenergie, sondern auch auf die Ausbreitungsrichtung: sie ist ebenfalls identisch. Es erklärt, weshalb sich Laserlicht (bei den meisten Lasern) gebündelt ausbreitet, d.h. auch in größerer Entfernung eine kleine Fläche ausleuchten kann. Den Öffnungswinkel des Laserstrahls bezeichnet man als Divergenzwinkel; Laser haben eine geringe Divergenz. Lesen Sie mehr über Divergenzwinkel in der Ergänzung 2 des Kapitels 3.

Im unten gezeigten Applet sind die möglichen Wechselwirkungen zwischen Atomen und Photonen zu sehen. Bewegen Sie den im Applet zu sehenden Schieberegler nach rechts.

• Bei niedriger Rate werden Photonen absorbiert (angeregte Atome besitzen einen grünen Ring) und spontan wieder emittiert.
• Wird die Rate der Photonen erhöht, kommt es zur induzierten Emission, wenn ein weiteres Photon auf ein bereits angeregtes Atom trifft.

Vor der erfolgreichen Erzeugung von Laserlicht steht also noch eine Bilanzierung der Übergänge von Elektronen in Atomen ...