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Ein Laser (Abkürzung von engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, d. h. Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) ist eine künstliche gerichtete Strahlungsquelle.

Den Begriff prägte Gordon Gould 1957 in Anlehnung an den Maser. Frühere Arbeiten zu Lasern bezogen sich auf optical maser (Optische Maser).

Allgemeines

Laser sind Strahlungsquellen, deren Gemeinsamkeit im Entstehungsprozess der Strahlung liegt, nämlich in der so genannten stimulierten Emission. Sie stellen im Prinzip einen rückgekoppelten Verstärker für die Strahlung dar. Die Verstärkung wird in einem Medium wie einem Kristall, einem Gas oder einer Flüssigkeit erreicht, welchem durch Optisches Pumpen oder andere Weise Energie zugeführt wird. Laser gibt es für Strahlungen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums: von Mikrowellen, über Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, bis hin zu Röntgenstrahlung.

Meistens wird das aktive Medium in einen Resonator eingebaut, um eine effektive Rückkopplung zu erzielen. Der Resonator beeinflusst die Eigenschaften des Laserstrahls.

Laser haben Eigenschaften, die sie stark von klassischen Lichtquellen (wie beispielsweise einer Glühlampe) unterscheiden. Hierzu gehören etwa ein sehr enges Frequenzspektrum (Farbe des Lichts), die Parallelität der Strahlung und eine große Kohärenzlänge. Aufgrund dieser Eigenschaften gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Technik und Forschung. Sie reichen von der einfachen Anzeige (z. B. Laserpointer bei Präsentationen) über Entfernungsmessgeräte bis hin zum Schneid- und Schweißwerkzeug oder auch als Laserskalpell in der Medizin.

Pulslaser können auch so konstruiert werden, dass sie Impulse mit extrem geringer Dauer (~10-fs-Bereich) aussenden. Die damit mögliche zeitaufgelöste Laserspektroskopie ist ein Standardverfahren zur Untersuchung schneller Prozesse geworden. Da Pulslaser oft nur wenige Lichtwellenzüge am Stück aussenden, haben sie prinzipbedingt eine sehr kurze Kohärenzlänge und ein breites Frequenzspektrum.

Geschichte

Albert Einstein beschrieb bereits 1916 die stimulierte Emission als Umkehrung der Absorption. 1928 gelang Rudolf Ladenburg der experimentelle Nachweis. Danach wurde lange gerätselt, ob der Effekt zur Verstärkung des Lichtfeldes benutzt werden könnte, da zum Erreichen der Verstärkung eine Besetzungsinversion eintreten musste. Diese ist aber in einem stabilen Zweiniveausystem unmöglich. Zunächst wurde ein Dreiniveausystem in Betracht gezogen, und Rechnungen ergaben eine Stabilität für Strahlung im Mikrowellenbereich, 1954 realisiert im Maser von Charles H. Townes, der Mikrowellenstrahlung aussendet. Der erste Laser – ein Rubinlaser – wurde von Theodore Maiman am 16. Mai 1960 fertiggestellt.

Die weitere Entwicklung führte dann zunächst zu Gaslasern (Stickstoff-, CO2-Laser, He-Ne-Laser) und danach zu Farbstofflasern (das laseraktive Medium ist flüssig). Eine Weiterentwicklung von Kristalltechnologien ermöglichte eine sehr starke Erweiterung des spektralen Nutzbereiches. Durchstimmbare Laser zum Anfahren einer bestimmten Wellenlänge und breitbandige Laser wie z. B. der Titan-Saphir-Laser läuteten in den 1980er Jahren die Ära der Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von Piko- und Femtosekunden ein.

In den späten 1980er Jahren ermöglichte die Halbleitertechnologie immer langlebigere, hocheffektive Halbleiter-Laserdioden, die mit kleiner Leistung in CD- und DVD-Laufwerken oder in Glasfaser-Datennetzen eingesetzt werden und inzwischen nach und nach als Pumpquellen mit Leistungen bis in den kW-Bereich die wenig effektive Lampenanregung von Festkörperlasern ersetzen.

In den 1990er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechniken und Leistungen bis 20 kW zunehmend Anwendungen bei der Materialbearbeitung, wo sie die bisher gebräuchlichen Typen (CO2-Laser, lampengepumpte Nd:YAG-Laser) teilweise ersetzen können.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden erstmals nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen. Damit ließen sich zeitliche Abläufe im Inneren eines Atoms verfolgen. Zuletzt erreichten blaue und ultraviolette Laserdioden die Marktreife.

Inzwischen ist der Laser zu einem bedeutenden Instrument der Industrie, Kommunikation, Wissenschaft und Unterhaltungselektronik geworden.

Physikalische Grundlagen

Zusammenfassung

Für die Funktion des Lasers sind die drei grundlegenden Prozesse der Wechselwirkung von Licht mit Materie bestimmend: Absorption bzw. Anregung (Pumpen), spontane Emission und stimulierte Emission.

    * Beim Pumpen des Lasers wird entweder ein Photon vom aktiven Medium (geeignete Materie, zum Beispiel Atome oder Moleküle in einem Festkörper, einer Flüssigkeit oder einem Gas) absorbiert, oder die Anregung erfolgt durch unelastische Stöße (Gasentladung, Teilchenstrahlung). Die Pumpleistung (Anregung) sorgt dafür, dass Atome oder Moleküle des aktiven Mediums in einen höheren Energiezustand, d. h. ein höheres Energieniveau gelangen.
    * durch zunächst spontane Emission geht dieser angeregte Zustand spontan, das heißt zufällig und ohne äußere Einflüsse, wieder in einen niedrigeren Energiezustand über. Die Energiedifferenz wird in Form eines Photons abgestrahlt. Zeitpunkt der Aussendung und Richtung des Photons sind zufällig.
    * Bei der stimulierten Emission wird durch ein solches, bereits existierendes Photon die Aussendung eines weiteren Photons angeregt; dieses besitzt die gleichen Eigenschaften (Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung). Es ergibt sich eine Verstärkung der Strahlung. Ein Resonator oder die Gestalt des aktiven Mediums sorgen dafür, dass diese Verstärkung rückgekoppelt und in einer bevorzugten Richtung erfolgt.

Stimulierte Emission: Lasing

Auch in geeigneten aktiven Medien werden die Photonen ohne Anregung (Pumpen) jedoch wieder absorbiert. Damit die Strahlung verstärkt wird, muss man dafür sorgen, dass der höhere Energiezustand EM ständig oder zumindest kurzzeitig stärker besetzt ist als der untere EL; dann sind stimulierte Emissionen häufiger als Absorptionen. Da dies im thermischen Gleichgewicht nicht der Fall ist, spricht man von Besetzungsinversion. Um diese zu erreichen, kann man zum Beispiel Licht geeigneter Wellenlänge einstrahlen (Optisches Pumpen). Der nahe liegende Ansatz, Photonen der Energiedifferenz EM - EL einzustrahlen, schlägt aber fehl, weil so auch direkt eine Emission stimuliert würde und die Wahrscheinlichkeiten von Emission und Absorption in einem Zweiniveausystem gleich sind. Stattdessen verwendet man zum Beispiel ein Medium mit einem Dreiniveausystem, bei dem zunächst auf ein drittes, höher gelegenes Energieniveau EP gepumpt wird. Von dort erfolgt strahlungslos oder per spontaner Emission ein Übergang auf das Niveau EM. Der Trick besteht nun darin, die Energieniveaus so zu wählen, dass ein spontaner Übergang von EP zu EM sehr viel schneller erfolgt (das heißt, sehr viel wahrscheinlicher ist), als ein Übergang von EM auf EL und der direkte Übergang von EP nach EL sehr unwahrscheinlich ist. In diesem Falle wird durch das Pumpen die Zahl der Teilchen im Zustand EM stetig erhöht. Je nach aktivem Medium gibt es aber auch Zweiniveaulaser im kontinuierlichen Betrieb (zum Beispiel die elektrisch gepumpten Diodenlaser) und Vierniveaulaser, bei denen das Niveau EL auf ein noch tieferes Niveau abgeregt werden muss, um erneut gepumpt werden zu können (z. B. Kohlendioxidlaser).

Didaktisches Modell des Lasers

Zwei tiefgründige Schlussfolgerungen aus experimentellen Beobachtungen sind der Schlüssel für die Existenz von Lasern:
Beispiel für Emissionslinien

   1. Die Auswahlregeln der Quantenmechanik, die aus der Existenz von so genannten verbotenen Übergängen erschlossen wurden. Das sind unscheinbare, lichtschwache Spektrallinien mancher Elemente, die unter normalen Laborbedingungen kaum messbar sind. Man kann sie beispielsweise im Polarlicht entdecken, weil in einigen 100 km Höhe die Sauerstoffatome ungestört die Wartezeit der verbotenen Übergänge abwarten können. Man kann Laser nur mit Atomen oder Molekülen bauen, die verbotene Übergänge besitzen.
   2. Die stimulierte Emission von Licht - das Gegenteil zur spontanen Emission - wurde von Einstein vorhergesagt, weil er sich ohne diesen von ihm erstmals behaupteten Effekt gewisse Eigenschaften der Lichtstrahlung nicht erklären konnte. Einstein sollte Recht behalten.

Nachdem einem Atom beispielsweise durch Optisches Pumpen ausreichend Energie zugeführt und deshalb ein Elektron auf eine höheres Energieniveau gehoben wurde, fällt dieses normalerweise nach sehr kurzer Verweildauer (weniger als 1 µs) unter Aussendung eines Photons wieder auf ein tieferes Energieniveau zurück. Eine Voraussetzung ist, dass bei diesem Vorgang der gesamte Drehimpuls (spin) erhalten bleibt. Da das Photon den spin 1 „davonträgt“, muss sich der gesamte Drehimpuls des Atoms um genau eine Einheit ändern. Ist das nicht möglich, weil sich der Drehimpuls aus anderen Gründen (wie Zusammenstoß mit einem anderen Atom oder interne Umlagerung eines anderen Elektrons) geändert hat, ist der Sprung des Elektrons auf das tiefere Energieniveau nicht möglich - das bezeichnet man als Verbotener Übergang. Dadurch wird die Verweildauer des Elektrons im hohen Energieniveau auf ein Vielfaches verlängert, mitunter auf einige Sekunden. Man spricht von einem metastabilen Zustand. Nichts dauert unendlich lang - irgendwann springt das Elektron doch und sendet dabei ein Photon aus. Da der Vorgang recht selten ist, wird die entsprechende Spektrallinie nur schwach sichtbar sein. Im nebenstehenden Bild könnte die Linie bei 491,6 nm so ein verbotener Übergang sein, da er einerseits sicher von Hg-Atomen stammt, andrerseits erheblich schwächer ist als andere Spektrallinien.

Wenn sich mehr Atome in diesem ungewöhnlichen Zustand als im Grundniveau befinden, liegt eine Besetzungsinversion vor. Dann können diese wartenden Atome in einem Laser energetisch „gemolken“ werden. Dieser Mechanismus heißt stimulierte Emission. Die obige Erklärung gilt für Gase, nicht für Festkörper. Da beeinflussen sich die Atome sehr stark und zusätzliche Bedingungen müssen eingehalten werden. Aber für beide Zustände gilt: Es gibt Atom- oder Molekülsorten, in denen eine ausreichend lange Besetzungsinversion von einigen Mikrosekunden erzeugt werden kann und das nur bei Spektrallinien, die beispielsweise in der Spektroskopie eher wenig beachtet werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Besetzungsinversion um so leichter erzeugt werden kann, je größer die Wellenlänge des entsprechenden Übergangs ist.

    * Der sehr gut verstandene Kohlendioxidlaser nutzt einen Übergang bei 10,6 µm und erlaubt höchste Leistungen. Leider sind die Photonen dieser Infrarotstrahlung relativ energiearm und werden fast ausschließlich zur Wärmeerzeugung eingesetzt.
    * Festkörperlaser können besser nutzbares sichtbares Licht erzeugen, haben aber erheblich weniger Leistung.
    * Da beim bevorzugt verwendeten Halbleiter Silizium keine Möglichkeit gefunden wurde, eine Besetzungsinversion mit anschließender Erzeugung von Photonen zu erzeugen, müssen für Laserdioden exotische und teure Materialkombinationen eingesetzt werden. Auch hier gilt: Die zuerst gebauten Halbleiterlaser arbeiteten im IR-Bereich, dort baut man heute die leistungsstärksten Exemplare mit den höchsten Wirkungsgraden, weil hier eine Besetzungsinversion relativ leicht zu erzeugen ist.
    * Im UV-Bereich ist Besetzungsinversion über einen hinreichend langen Zeitraum schwierig zu erreichen, wie die erst kürzlich (2008) eingeführte Blu-ray Disc beweist.
    * Bisher ist kein Material bekannt, mit dem dieser Zustand im Röntgenbereich ausreichend lange dauert, um Verstärkungseffekte erzielen zu können. Offenbar liegen hier die Verweildauern in metastabilen Zuständen der Elektronenhülle immer im Picosekundenbereich oder darunter.

Laser ohne Resonator

Man erzeugt Laserlicht meist in einem Resonator, es geht aber auch ohne diesen, wie man an den Beispielen Freie-Elektronen-Laser, Stickstofflaser und natürliche astronomische Maser sehen kann. Beim Stickstofflaser ist der Resonator wertlos, weil die Verweildauer des Elektrons im hohen Energieniveau nach dem „Pumpen“ kürzer ist als die Laufzeit des Lichtes von einem Spiegel zum anderen. Das reflektierte Licht würde erst dann zurückkommen, wenn die Besetzungsinversion nach der Anregung bereits beendet ist. Dann sind aber keine energiereichen Atome mehr da, die "gemolken" werden können. In diesem Fall ist die Intensitätszunahme des Lichtes pro Millimeter (die Verstärkung) aber ausreichend groß, dass es zur spontanen Laserentstehung kommt.

Astronomische Maser existieren nur im Frequenzbereich des Radars. Das hat im Wesentlichen zwei Gründe:

    * Nur bei dieser vergleichsweise sehr großen Wellenlänge von einigen Zentimetern ist die spontane Übergangswahrscheinlichkeit vom metastabilen in einen tieferen Zustand des Moleküls so gering, dass die Dauer einer Besetzungsinversion offenbar auf Stunden anwächst.
    * Ein spontan emittiertes Photon regt in einer riesigen Molekülwolke während einer Flugzeit von vielen Stunden so viele andere Moleküle zu induzierter Emission an, dass die Summe aller parallel fliegender Photonen ein Funksignal ergibt, das durch Radioteleskope gut identifiziert werden kann.

Die Mindestlänge für die Entstehung von Laserlicht benötigt beim Stickstofflaser einige Zentimeter, in einer Molekülwolke dagegen Lichtjahre.

Laser mit Resonator

Ein Resonator ist erforderlich, wenn die Verstärkung (die Anzahl der Atome im metastabilen Zustand pro Millimeter) zu gering ist und die benötigte Laserstrecke deshalb zu lang wird. Der Laser wird dann gewissermaßen „zusammengefaltet“, die bisher erzeugten Photonen müssen immer wieder zwischen den Spiegeln hin- und herlaufen, um durch Stimulierte Emission weitere Photonen von energiereichen Atomen dazu zu gewinnen. Diesen Vorgang kann man mit einem rückgekoppelten Verstärker der Elektronik vergleichen, der dann Schwingungen erzeugt. Je mehr Atome im erforderlichen metastabilen Zustand pro Millimeter vorhanden sind, desto kleiner kann der Abstand der Spiegel sein - das mit ist ein Grund, weshalb Laserdioden etwa hundert mal kürzer als Gaslaser sein können.

Die durch stimulierte Emission erzeugten Photonen bewegen sich mit gleicher Phasenlage (und gleicher Wellenlänge) parallel zu den Photonen, die diese Stimulation hervorgerufen haben. Es entsteht kohärentes Licht. Je größer der Abstand der Spiegel ist und je weniger anregbare Atome vorhanden sind, desto häufiger muss das Licht zwischen den Spiegeln pendeln. Das klappt aber nur dann, wenn die Spiegel gut parallel eingestellt sind, denn andernfalls würde das Licht nach wenigen Umläufen den Laser seitlich mit geringer Intensität verlassen. Der Öffnungswinkel des Lichtbündels, das den Laser durch einen teildurchlässigen Spiegel verlässt, ist um so geringer, je größer der Abstand der Spiegel ist. Die kurzen Laserdioden strahlen aus diesem Grund mit starker Divergenz.

Beginn der Laseremission

In einer Materieansammlung (Gas, Festkörper,...), die energetisch ausreichend angeregt ist, entstehen immer auch Photonen durch spontane Emission, die in irgend eine Richtung fliegen. Falls sie auf ihrem Weg zufälligerweise auf Atome im metastabilen Zustand treffen und die Energien zusammenpassen für eine stimulierte Emission, verstärkt sich die Intensität des Lichtes. Bei jedem energetisch „gemolkenen“ Atom kommt ein Photon zur bereits vorhandenen Menge dazu, die Lichtintensität steigt. Zum Glück kann auf dem weiteren Weg durch die Materieansammlung kein Photon durch Resonanzabsorption abhanden kommen, wie man beispielsweise beim Durchgang von Natriumlicht durch Natriumdampf oder bei Fraunhofersche Linien beobachten kann. Ursache ist der verbotene Übergang: Wenn das Atom die im metastabilen Zustand gespeicherte Energie nicht so ohne weiteres emittieren kann, kann es diese Energie auch nicht absorbieren, auch wenn sich das Elektron im unteren Zustand EL befindet.

Keine auffallende Laserwirkung ergibt sich, wenn:

    * das Licht die Materieansammlung vorzeitig verlässt, beispielsweise durch seitlichen Austritt aus dem Entladungsrohr.
    * zu wenige angeregte Atome angetroffen wurden. Man sagt dann, die Laserschwelle wird nicht erreicht.

Um eine hohe Intensität zu erzeugen, müssen sich also sehr viele Atome im metastabilen angeregten Zustand befinden. Bei den meisten Lasern wird das durch Spiegel erzwungen: Wenn ein Photonenbündel zufällig mit Flugrichtung senkrecht zu einem der Spiegel gestartet ist, muss es immer wieder in der Materieansammlung hin- und herlaufen, um möglichst sämtliche metastabilen Atome zu „melken“. Bei manchen Lasertypen wie He-Ne-Laser oder Laserdioden wird kontiuierlich Pumpenergie zugeführt, bei anderen Typen wie dem Rubinlaser wird zuerst kurzzeitig mit einer Blitzlampe optisch gepumpt, dann entsteht der Laserimpuls. Wenn es keine spontane Emission gäbe, würde in keinem Fall Laserlicht entstehen.

Technische Umsetzung

In einem Laser wird die Strahlung, die durch spontane Emission initiiert wurde, durch eine geeignete Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet, in dem Besetzungsinversion herrscht (das sog. aktive Medium, z. B. ein Nd:YAG-Kristall oder eine Kohlenstoffdioxid-Gasentladung), geleitet. Eine solche Anordnung nennt man optischen Resonator (lat. resonare = zurückklingen, hallen). Im Resonator wird die Laserstrahlung beim Hin- und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln durch stimulierte Emission immer weiter verstärkt, bis der Leistungszuwachs innerhalb des Systems durch die Abnahme der Besetzungsinversion und die immer stärker ansteigenden Verluste ausgeglichen wird. Einer der beiden Spiegel ist teilweise (typisch: Promille bis über 15 %, je nach Verstärkung) durchlässig (Auskoppelspiegel), um Strahlung aus dem Laser gewinnen, d. h. auskoppeln zu können. Die Feldstärke innerhalb des Resonators ist dadurch viel höher als im ausgekoppelten Strahl.

Lasermedien mit sehr hoher Verstärkung können auch mit nur einem Spiegel oder ganz ohne Spiegel lasern (so genannte Superstrahler, z. B. beim Stickstofflaser).

Ausgangsleistungen von typischen Lasersystemen reichen von wenigen Mikrowatt (µW) bis zu einigen Terawatt (TW) bei gepulsten Femto- oder Attosekunden-Lasern mit externer Nachverstärkung.

Die Energie, die benötigt wird, um die Atome oder Moleküle in die angeregten Zustände zu versetzen, muss dem System von außen zugeführt werden. Dieser Prozess wird als Pumpen bezeichnet. Es kann elektrisch in Form einer Gasentladung, durch Injektion von Ladungsträgern (Stromfluss) beim Halbleiterlaser oder optisch durch das Licht einer Gasentladungslampe (Blitzlampe oder Bogenlampe) oder eines anderen Lasers stattfinden.

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Laserstrahl aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


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