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Lexikon Physik

Laser

Der Laser war eine der wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Der Name ist ein einglisches Akronym (aus Anfangsbuchstaben gebildetes Wort) und steht für light amplification by stimulated emission of radiation, auf Deutsch „Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission“.

Laserstrahlung zeichnet sich dadurch aus, dass alle Photonen praktisch denselben Quantenzustand besitzen. Dies bedeutet:

  • sie ist monochromatisch, d. h. besitzt eine exakt festgelegte Wellenlänge (bzw. ein extrem schmalbandiges Spektrum),
  • sie ist extrem scharf gebündelt und
  • sie ist kohärent, d. h., alle Teilwellen sind in Phase und interferieren positiv miteinander.

Prinzipiell lässt sich Laserstrahlung nicht nur mit Phtonen bzw. elektromagnetischen Wellen, sondern auch mit anderen Quantenobjekten realisieren. So wurde Anfang des 21. Jahrhunderts ein Atomlaser konstruiert, der aber noch nicht für praktische Anwendungen geeignet ist.

Damit eine Strahlungsquelle Laserlicht aussendet, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

  • es muss eine Besetzungsinversion vorliegen
  • und eine geeignete Verspiegelung muss eine lawinenartige Verstärkung von Photonen im Lasermedium ermöglichen. Die Verspiegelung darf allerdings nicht exakt 100 % betragen, da sonst keine nutzbare Laserstrahlung austreten könnte. 

Wenn normalerweise ein Elektron in einem Atom zwei Quantenzustände zur Auswahl hat, besetzt es nach Möglichkeit  den energetisch niedrigeren. Eine Besetzungsinversion liegt daher vor, wenn in einer großen Anzahl von Atomen oder Molekülen (dem Lasermedium) der jeweils höhere Zustand stärker besetzt ist. In diesem Fall kommt es zu einem bereits 1917 von Albert Einstein vorausgesagten Effekt, der stimulierten Emission von Photonen. Wenn nämlich das angeregte Elektron von einem Photon getroffen wird, dessen Energie exakt der Anregungsenergie entspricht, emittiert das Elektron augenblicklich ein identisches Photon und geht in den Grundzustand über, wodurch es nun zwei identische Photonen im Medium gibt (Abb.). Je stärker die Besetzungsinversion ist, desto wahrscheinlicher treffen diese beiden identischen Photonen auf weitere angeregte Elektronen, die sie zur Emission weiterer identischer Photonen stimulieren können – dies ist die lawinenartige Verstärkung.

Laser - Abbildung 1

Der erste Laser hatte 1960 einen an den Enden verspiegelten Rubinstab als Lasermedium. Die Besetzungsinversion durch Bestrahlung mit Licht erreicht (man nennt dies optisches Pumpen). Heute gibt es unter anderem – je nach Lasermedium – Gaslaser (Abb.), Festkörperlaser, Farbstofflaser und Halbleiterlaser. Außerdem unterscheidet man gepulste Laser, die eine schnelle Abfolge von sehr kurzen Pulsen austrahlen, und Dauerstrichlaser, die kontinuierlich strahlen.

Laser - Abbildung 2

Achtung: Laserstrahlung ist gefährlich für die Augen, besonders wenn die Laserwellenlänge nicht im sichtbaren Bereich liegt (Infrarotlaser). Deshalb niemals direkt in eine Laserquelle schauen, auch nicht bei kleinen Laserpointern oder wenn sie scheinbar ausgeschaltet ist!

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