3.7 Grundbegriffe des LASERS

LASER=Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

3.7.1 Besondere Eigenschaften

1. Zeitliche Kohärenz (hohe Monochromatie): Linienbreiten bis in Hz-Bereich

   Für die relative Linienbreite für sichtbaren Spektralbereich gilt ~ 10^-15. Ein kohärenter Wellenzug besitzt damit die Länge l = c ^. t = ~ 3 ^. 10⁸ m. Vergleiche mit gewöhnlicher Länge l ~ 1m

2. Räumliche Kohärenz: starke Bündelung des Lichts (nur begrenzt durch Beugungseffekte im Laser)
3. Hohe Strahlungsintensität bis 10¹⁸ im gepulsten Betrieb
4. Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse bis < 10^-15 s

3.7.2 Schematischer Aufbau eines Lasers (Resonator)

Lasermaterial:

• Beispielsweise Festkörper (z.B. Rubin Cr: Al₂O₃ (rot) wegen Cr-Dotierung (1.LASER 1960)
• Farbstoffe
• Gase
• Halbleiter

Reflexion an Spiegeln Ausbildung einer stehenden Welle

3.7.3 Pumpschemata

Durch Pumpen im angeregten Zustand entsteht spontane Emission. Aber wenn ein solches Photon auf weiteres, angeregtes trifft, ergibt sich stimulierte Emission.

• 2-Niveau-System:

  

• 3-Niveau-System:

  

• 4-Niveau-System:

  

Bilanzgleichungen und Laserbedingungen:

W ist die Übergangswahrscheinlichkeit, n die Photonenzahl und t₀ die Lebensdauer eines Photons im Laserresonator.

Bilanzgleichung für Photonenzahl:

V ist hier das Volumen des Lasermaterials, die Linienbreite des elektronischen Übergangs von 21, die Lebensdauer für Niveau 2, D() die Zahl der möglichen stehenden Wellen im Einheitsvolumen im Frequenzbereich ... + d:

W'N₂ beschreibt die unkorrelierte Lichtemission („Rauschen“); dies ist jedoch vernachlässigbar.

Notwendige „Inversion“ (Besetzungsinversion) zwischen 2 und 1 pro Volumen

3.7.4 Laserbedingung

Für kleine Pumpleistungen gilt:

• Kleine Linienbreite
• ist klein, das heißt ist groß

Damit folgt, daß es schwierig ist, Laserstrahlen im Röntgenbereich zu erzeugen. Für großes t₀ benötigt man einen hochreflektierenden Spiegel mit = , wobei L die Resonatorlänge und R das Reflexionsvermögen des Spiegels ist.