Welches Gerät, das aus der Physik stammt ist am faszinierendsten in Kultur und Science Fiction und enorm weit verbreitet im alltäglichen Leben? Ohne Zweifel der Laser! Der Apparat, der die bekannteste Anwendung der Ideen der Quantenphysik ist, feiert Geburtstag. Denn vor 50 Jahren wurde der erste, funktionierende Laser gebaut und darum wird 2010 weltweit ein Jahr lang das LaserFest gefeiert! Was für ein cooler Name. Auch bei Diax’s Rake wird es also hin und wieder etwas zu Lasern geben, denn es ist ja LaserFest!

Die grundlegende Idee für den Laser stammt – wie kann es anders sein – von Einstein. Er postulierte 1917 die spontane stimulierte Emission – nämlich dass ein Photon im Vorbeifliegen mit einem angeregten Atom interagieren kann und dieses dazu motivieren, auch ein Photon auszusenden. Das kann dann passren wenn das Atom so angeregt ist, dass sich ein Elektron auf einer höheren Schale befindet und durch den Rückfall auf eine niedriger ein Photon gleich dem anregenden aussenden würde. Denn der Energieunterschied zwischen einem angeregten und einem tiefer liegenden Zustand verliert das Atom als Licht in Form genau eines Photons. Wir haben also einen Mechanismus, mit dem man bei einem Haufen gleich angeregter Atome eine ganze Kaskade von Photonenaussendungen erhalten kann. Da alle diese Photonen gleich sind, hat man Licht genau einer Wellenlänge – Laserlicht.

Soe wie die Abkürzung LASER schon ausdrückt: “light amplification by stimulated emission of radiation”. Wir verstärken Licht indem wir dafür sorgen, dass die Aussendung weiterer, gleichartiger Lichtteilchen angeregt wird.

Im Prinzip

Im Prinzip benötigen wir also nur gleichartige Atome und suchen uns einen netten Übergang um Elektronen anzuregen. Da haben wir also erstmal zwei Niveaus:

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1 ist der Grundzustand, und wenn man die Elektronen mit Energie versorgt, hebt man sie in den Zustand 2. Nach einer Weile fallen sie zurück und geben ein Photon ab. Das ist das Prinzip, aber überlegen wir uns was es braucht um einen Laser zu bekommen – die Photonen müssen in der Lage sein, andere Atome dazu zu bringen, auch Photonen auszusenden. Das heißt, viele Atome müssen in Zustand 2 sein.

Rock’n’Roll!

Stellt euch ein Rockkonzert vor. Ein kleiner Club, vollgepackt mit Menschen, die Stimmung tobt, die Band gibt alles. Einzelne klettern auf die Bühne, reißen die Arme in die Höhe und lassen sich mutig vornüber auf die ausgestreckten Arme des Publikums fallen. Sie werden ein paar Meter weitergetragen und dann (im besten Fall) sanft wieder heruntergelassen. Das wäre als ein einzelner “angeregter Mensch”, uns als Stagediver bekannt. Stellt euch jetzt vor, dass ganz viele Stagediver über das Publikum wandern würden – und einer an der Seite herunterfällt. Ist keinem zu wünschen, aber wir stellen es uns ja nur vor. Er greift also im Fallen um sich und erwischt das Hemd eines anderen Stagedivers – und reißt ihn mit herunter. Und so geht es weiter, sodass plötzlich alle Stagediver sich nicht mehr halten können und mit nach unten gezogen werden.

So einen Zustand wollen wir erreichen – wir brauchen genug Atome, die angeregt sind, und sich mitreißen lassen können. Wir brauchen sogar mehr Stagediver als Menschen, die noch unten stehen. Das wird natürlich im Konzert nie klappen, aber die Elektronen müssen ja nicht von tiefer liegenden Elektronen gehalten werden. Die sind im angeregten Zustand eine Weile, und fallen dann. Und hier liegt das Problem des Zwei-Niveau-Systems – der Zustand 2 ist sehr kurzlebig. Wir brauchen aber eine Besetzungsinversion, also mehr angeregte Atome als Atome im Grundzustand.

Drei-Zustandssysteme

Die entscheidende Vorraussetzung ist, dass es noch ein Niveau 3 kurz unter 2 gibt, das man verwendet.

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Im Bild sehen wir schon das Schema des Rubinlasers, ignoriert zunächst dass zwei Wege zu zwei Niveaus ‘2’ führen, hier hier F1 und F2 heißen. Entscheidend ist, dass vom Niveau 2 ein strahlungsloser Übergang in das Niveau 3 (E im Bild). Strahlunglos heißt, dass dabei kein Photon ausgesandt wird, aber doch das Elektron etwas Energie verliert, z.B. durch Stöße mit anderen Atomen. Und der Zustand 3 ist wesentlich langlebiger als Zustand 2! Das heißt, wenn wir schnell viele in Zustand 2 heben, fallen diese zügig in 3 und bleiben eine Weile da. Wenn wir dann schnell viele Atome in Zustand 2 heben (das optische Pumpen), haben wir eine Chance dass letztendlich mehr im Zustand 3 sitzen als in 1. Dann kann ein Photon das entsteht, wenn ein Elektron zurück nach 1 fällt, eine Kaskade auslösen.
Es gibt auch noch Vier-Zustandssysteme, bei denen es von 3 unter Aussendung des Photons in einen Zustand 4 knapp über dem Grundzustand geht. Zustand 4 ist auch langlebig und mach nach 1 wiederum einen strahlungslosen Übergang. So kann man vermeiden, dass zu viele Elektronen sich im Zustand 1 aufhalten.

Rubinlaser

Die Idee, die vom Maser (mit Mikrowellen) zum Laser führte, war die des optischen Resonators. Das sind im Falle des ersten Laser einfach zwei Spiegel am Ende des Lasermediums, die die Photonen hin und her werfen. Ist einmal ein Zustand der Besetzungsinversion erreicht, dann kann man dadurch erreichen dass die Photonen oft durch das Medium müssen und dabei eine Kaskade an Photonen losreißen. Einen der Spiegel macht man ein wenig durchlässig, sodass die Photonenkaskade dann auch herauskommt – der Laserstrahl.
Nachdem man diese Idee verstanden hatte, ging ein großer Wettlauf darum los, den ersten arbeitenden Laser zu bauen. Gelungen ist es 1960 Theodore H. Maiman, der auf die Idee kam einen Rubin als optisches Medium zu verwenden.

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Ein Rubin ist ein Kristall aus Aluminiumoxid, mit einem Anteil an Chromoxid. Das Chrom macht die beiden Übergänge, die im Bild des Drei-Zustand-Schemas blau und grün sind. Aus diesem Zustand fallen die meisten Elektronen schnell in das Niveau 2E. Der Übergang erfolgt strahlungslose, da die Atome ihre Energie an das Kristallgitter abgeben. Die Idee, Rubin zu verwenden war eigentlich sehr einfach umzusetzen und konnte daher auch schnell nachgebaut werden. Man regte die Übergänge zu 2 durch einfache Blitzlampen an – schließlich bewegt man sich hier im sichtbaren Licht. Blaue und grüne Photonen geben ihre Energie, um Elektronen auf das Niveau 2 zu heben. Diese fallen kurz danach auf 3, und wenn man genug blitzt, erreicht man so eine Ansammlung von Atomen im Zustand 3. Der Übergang nach 1 sendet Photonen im roten sichtbaren Licht aus, daher stammt also die charakteristische rote Farbe des Rubin – und des Strahls des Rubinlasers.
Im Bild sieht man den Aufbau. Der Rubin ist zu einem zylindrischen Stab geschliffen und von einer gewendelten Blitzröhre umgeben.

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Ist der Blitz also intensiv genug, werden überall im Rubin Atome angeregt. Diese sammeln sich im Zustand 3, und durch einzelne Photonen werden weitere Atome angeregt, ihrerseits solche Photonen abzugeben. Zunächst ungeordnet in alle Richtungen, aber es befinden sich ja an den Enden des Rubinstabes Spiegel.

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Einer der Spiegel ist halbdurchlässig, und so lösen die immer reflektierten Photonen eine Kaskade aus, die dann auf der einen Seite in einem gerichteten Strahl das Lasermedium verlässt.

Und 50 Jahre später ist LaserFest!

Drei-Zustands-Schema von Markus Köhler, bei Wikimedia Commons unter CC-Lizenz
Bilder zum Rubinlaser vom Lawrence Livermore Laboratory. “Credit is given to Lawrence Livermore National Security, LLC, Lawrence Livermore National Laboratory, and the Department of Energy under whose auspices this work was performed.”

Kommentare (5)

  1. #1 MartinB
    01/27/2010

    “Er postulierte 1917 die spontane Emission ”

    Das sollte aber wohl stimulierte emission heißen, die spontane wird ja nicht angeregt, deshalb ist sie auch spontan…

  2. #2 Jörg
    01/27/2010

    Stimmt…auch wenn er die spontante auch dort mitpostuliert hat, ist sie in diesem Zusammenhang nicht gemeint :)

  3. #3 Engywuck
    01/28/2010

    Danke für den Beitrag.

    Gibt’s eigentlich auch RASER? (radiowave…..) 😀

  4. #4 Jörg
    01/29/2010

    @Engywuck: Lasern kann man schon auch bis in Radiofrequenzen hinein, einen Extranamen bekommt das nicht mehr. Die Trennung zwischen Maser und Laser liegt auch vor allem an den unterschiedlichen Detektionsmethoden, eigentlich ist das ja das gleiche.

  5. #5 Stefan
    01/31/2010

    Laser-Mitentdecker Arthur Schawlow hat für den Laser mal die Abkürzung ‘light oscillation by stimulated emission of radiation” = LOSER vorgeschlagen – Biographical Memoirs of the National Academies (PDF, Seite 8) – dort gibt’s noch eine Bonus-Anekdote 😉