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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.
![Stimulierte Emission beim Licht- und beim Atomlaser 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.](/fileadmin/_processed_/b/b/csm_20081113__Atomlaser__Kuhls-Dawideit_8f4912fca3.png)
Quelle: https://www.weltderphysik.de/media/