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Stimulierte Emission beim Licht- und beim Atomlaser

Oben: Der Lichtlaser nutzt das Prinzip der stimulierten Emission. Strahlt man passendes (resonantes) Licht auf ein angeregtes Atom (oder Molekül) ein, so wird das Licht verstärkt. Das angeregte Atom kehrt in den Grundzustand zurück und gibt dabei ein Photon ab, welches sich in den Photonenstrom des eingestrahlten Lichtstrahls einreiht. Durch Rückführung des verstärkten Lichtstrahls mit Hilfe von Spiegeln (man bezeichnet den von Spiegeln umgebenen Raum als Resonator) schaukelt sich der Verstärkungsprozess auf und ein intensives monochromatisches Lichtfeld entsteht im Resonator. Es müssen ständig angeregte Atome bereitgestellt werden, um den Prozess aufrecht zu erhalten. Ist einer der Spiegel ein wenig durchlässig, so kann dort ein kohärenter Lichtstrahl aus dem Resonator austreten, der Laserstrahl.

Unten: Eine mögliche Variante eines Materiewellen-Lasers beruht auf einem lichtgesteuerten stimulierten Verstärkungsprozess für Materie. Dabei wird ein Strahl von Atomen in einem angeregten, aber langlebigen elektronischen Niveau präpariert und durch eine Atomfalle (Ellipse) geschickt, welche nur Atome im elektronischen Grundzustand festhält. Mittels Einstrahlung von Laserlicht (gelber Pfeil) werden die angeregten Atome bei ihrer Bewegung durch die Atomfalle in ein kurzlebiges Zwischenniveau gepumpt, von wo aus sie unter spontaner Abgabe von Photonen (blaue geschlängelte Pfeile) in den gefangenen elektronischen Grundzustand zerfallen. Aufgrund ihres bosonischen Charakters ordnen sich die neu hinzukommenden Atome perfekt in die Bewegung der schon in der Atomfalle vorhandenen Atome ein, sodass sich bei hinreichend großer Rate von Neuzugängen eine kohärente Materiewelle aufbaut, bei der sich alle Atome im Gleichschritt bewegen. Durch eine Öffnung in der Atomfalle lässt man eine kohärente Materiewelle entweichen. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass bereits gefangene Atome durch Stoß mit einem angeregten Atom oder durch Aufnahme eines der spontan ausgesandten Photonen aus der Atomfalle heraus­ geworfen werden können. Diese Verluste können den Aufbau einer kohärenten Materiewelle verhindern. In der Sprache der Lasertechnik würde man sagen: Der Laser kommt nicht über die Schwelle.