Schema stimulierte Emission beim Laser

Wie funktioniert ein Laser?

Atome können Licht aussenden - beispielsweise immer dann, wenn sie durch Stöße oder Licht mit zusätzlicher Energie versorgt wurden. Denn Teilchen geben den Überschuss immer wieder ab; zum Beispiel dadurch, dass sie sich der Energie in Form einer Lichtwelle entledigen.

In einer Leuchtstoffröhre werden Quecksilberatome durch Elektronenbeschuss mit zusätzlicher Energie versorgt, die sie später wieder abgeben, indem sie Licht abstrahlen. Nach den Gesetzen der Quantenphysik findet die Lichtabgabe vollkommen zufällig statt. So ist bis zu seiner Entsendung völlig unbestimmt, in welche Richtung das Licht abgestrahlt wird, oder auch, wann das passiert. Das entscheidet die Natur spontan. Dies ist der Grund für den Namen des Effektes: die spontane Emission.

Lichtverstärkung bei Lasern: Stimulierte Emission

In der oberen Hälfte der Grafik ist ein breiter blauer Pfeil zu sehen, der von oben nach unten weist. In dem Pfeil sind Atome als Kreise symbolisiert. Links und rechts von dem Pfeil befindet sich jeweils ein Hohlspiegel, die gekrümmten Flächen weisen nach innen auf den blauen Pfeil. Zwischen den Hohlspiegeln deutet eine nach innen schmaler werdende gelbe Fläche das gebündelte Licht an, vom rechten Spiegel tritt nach rechts der Laserstrahl aus. Oberhalb des Lichts sind die Atome gelb, im Bereich des Lichts rot, darunter grün gefärbt. Ein mit "stimulierte Emission" beschrifteter Pfeil deutet auf den Bereich, in dem sich der breite blaue Pfeil und der gelbe Bereich überschneiden. In der unteren Hälfte sind nur gelbe und grüne Atome in einem blauen Pfeil dargestellt. Von den grünen Atomen gehen Wellenzüge mit Pfeilen aus. Einige Atome treten nach rechts aus der Ellipse aus, was durch einen kleinen Pfeil angedeutet ist. Die austretenden Atome sind mit "Atomlaser" beschriftet.
Stimulierte Emission beim Licht- und beim Atomlaser

Ein Atom mit überschüssiger Energie würde also ohne weiteres Hinzutun nach einiger Zeit spontan Licht aussenden, bei dem nur die Energie feststeht. Das ändert sich, wenn es mit einer Lichtwelle der entsprechenden Energie bescheint wird. Dann ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass das Atom auch die restlichen Eigenschaften der Welle einfach kopiert: Es strahlt dann Licht ab, das mit dem ursprünglichen im Takt schwingt und sich in dieselbe Richtung ausbreitet.

Im Gegensatz zur spontanen Emission nennt man diesen Effekt stimulierte Emission. Dieser Effekt sorgt beim Laser für die Lichtverstärkung und daher stammt auch der Name: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Aus wenigen Lichtwellen werden so unzählige „Kopien“ erstellt. Dazu müssen die Lichtwellen jedoch immer wieder an den Atomen vorbeigeführt werden. Dies geschieht mit Hilfe von Spiegeln. In ihnen fängt man die Lichtwellen ein – gerade so, dass die einzelnen Wellen aufeinander liegen und im Gleichtakt schwingen. Ein solches Gebilde wird stehende Welle genannt.

Aber natürlich muss den Atomen auch ständig neue Energie zugeführt werden, zum Beispiel mit Hilfe einer hellen Lampe. Laser funktionieren erst, wenn es mehr Atome mit zusätzlicher Energie gibt als ohne. Dies ist ein unnatürlicher Zustand mit Namen Besetzungsinversion.

Zusammengefasst heißt das: Ein Laser muss von außen ständig mit Energie versorgt werden, um seine Atome in einen angeregten Zustand zu bringen. Die Atome fallen immer wieder in den Zustand niedriger Energie und geben den Überschuss an die Laserwellenzüge ab. Damit ein Teil des Lichts den Laser verlassen kann, ist einer der beiden Spiegel teildurchlässig. Auf diese Weise verliert der Laser Energie; und der Mensch gewinnt Laserlicht.

Die Entdeckung des Prinzips

Die theoretischen Grundlagen für den Laser wurden 1917 von Albert Einstein gelegt. Damals entdeckte er die so genannte stimulierte Emission. Doch erst in den 1950er Jahren zeigte der Physiker Charles H. Townes, dass mit Hilfe der stimulierten Emission eine außergewöhnliche Lichtquelle gebaut werden kann. Dafür wurde er 1964 mit dem Nobelpreis bedacht.

Den ersten Laserstrahl erzeugte der amerikanische Physiker Theodore H. Maiman im Jahr 1960. Als Lasermedium diente damals ein Rubinkristall. Zwei Jahre später machte sich Maiman selbstständig und gründete die Korad Corporation, die sich mit der Entwicklung und der Herstellung von Lasern befasst.