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Das der Laserlichterzeugung zugrunde liegende Prinzip findet sich abgekürzt in den Anfangsbuchstaben des Wortes LASER wieder: light amplifikation by stimulated emission of radiation. D.h., eine Lichtverstärkung wird durch eine erzwungene Aussendung von Strahlung (stimulierte bzw. induzierte Emission) hervorgerufen. Dieser Prozess wird durch die atomare Struktur der aktiven Medien, insbesondere der Energiezustände (Energieniveaus) bzw. der Elektronenverteilung innerhalb der Atome, bestimmt:
► Absorption: Um ein Elektron in ein höheres Energieniveau im Atom zu heben, muss es Energie aufnehmen (absorbieren). Bei der Anregung des Elektrons und damit des Atoms (z.B. durch Licht) muss die Frequenz des Photons (kleinstes Energieteilchen der elektromagnetischen Strahlung) genau der Energiedifferenz zwischen E zwei Energieniveaus entsprechen.
► Spontane Emission: In dem angeregten Zustand verweilt das Elektron etwa 10-8 s und springt dann spontan wieder auf das untere Niveau, den Grundzustand des Atoms, zurück. Das ursprünglich absorbierte Photon wird in beliebiger Raumrichtung spontan emittiert. In einer konventionellen Lichtquelle werden viele Atome bzw. Moleküle gleichzeitig angeregt, aber der Übergang in den Grundzustand findet statistisch statt, sodass zu verschiedenen Zeiten und in alle Raumrichtungen Wellenzüge emittiert werden. Diese Strahlung ist inkohärent.
► Stimulierte Emission: Wird ein zweites Photon mit derselben Frequenz wie das erste eingestrahlt, so werden sowohl das absorbierte als auch das zweite aufgenommene Photon gleichzeitig vom Atom wieder ausgestrahlt. Eine Emission wird erzwungen, d. h. stimuliert bzw. induziert, bevor das absorbierte erste Photon spontan emittiert ist. Beim Prozess der stimulierten Emission sind sowohl die Ausstrahlungsrichtungen als auch die Phasen und Wellenlängen der beiden Photonen gleich. Das emittierte Licht ist kohärent und intensiv. Die beiden emittierten Photonen können nun ihrerseits wieder zwei angeregte Elektronen synchron zur stimulierten Emission veranlassen. Dieser Prozess führt zu einer lawinenartigen Verstärkung der Photonenanzahl. Der Laser arbeitet also als Lichtverstärker.
Der dritte Prozess allein wäre der ideale Fall, jedoch konkurrieren mit der stimulierten Ausstrahlung die spontanen Emissions- und die Absorptionsprozesse. Die induzierte Emission kann aber dann begünstigt werden, wenn sich mehr Atome im angeregten als im Grundzustand befinden. Diese Verteilung ist Voraussetzung für die Erzeugung kohärenter Strahlung. Sie wird Inversion genannt, da es sich entgegen der möglichen Besetzung der Energieniveaus bei normalen Temperaturen um eine zahlenmäßige Besetzungsumkehr handelt. Die Inversionsbedingung kann durch ein Drei- oder Vierniveaulasersystem realisiert werden. Beim Dreiniveaulasersystem (z.B. Rubinlaser) werden die Elektronen durch Licht in das Niveau E3 "gepumpt", wechseln strahlungslos in das obere Laserniveau E2, in dem sich nun viel mehr Elektronen als im Grundzustand E1 befinden. Es hat eine Inversion stattgefunden, da die Elektronen im oberen Laserniveau eine relativ lange Zeit verweilen, bis sie stimuliert Laserstrahlung aussenden. Fast allen Lasertypen liegen jedoch Vierniveausysteme zugrunde, da diese eine geringere Pumpleistung zur Inversionserzeugung erfordern.
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