Kleine Laser-Typologie

»Laser« klingt erst einmal spannend. Laserschwerter, Laserbohrer, Holografie... der Assoziationen sind viele. Das eigentliche Laserprinzip ist auch schnell erklärt, doch gibt es eine enorme Vielfalt an Typen und Technologien. Der folgende Überblick soll als Leitfaden durch den Laser-Dschungel dienen.

Laser: Abkürzung für light amplification by stimulated emission of radiation, »Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission«. Erzeugt beziehungsweise verstärkt kohärente elektromagnetische Wellen, beispielsweise im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich.

Das Prinzip geht auf die 1917 von Albert Einstein vorausgesagte und 1928 von Rudolf Ladenburg und Hans Kopfermann in Gasen untersuchte induzierte Emission zurück. Die Anwendung des Maserprinzips auf Licht schlugen 1958 Arthur Leonard Schawlow und Charles Hard Townes vor.

Theodore Harold Maiman konstruierte 1960 den ersten funktionstüchtigen Laser, einen Rubinlaser. Von ihm stammt auch der bekannte Satz, beim Laser handle es sich um »eine Lösung, die ein Problem sucht«.

Den ersten Gaslaser (Helium-Neon) nahmen Ali Javan, William Bennett und Donald Richard Herriott 1961 in Betrieb. 1962 wurden die ersten Halbleiterlaser entwickelt, ab 1997 die ersten Atomlaser.

Prinzip des Lasers

Die induzierte oder stimulierte Strahlungsemission kann eintreten, wenn ein angeregtes Atom oder Molekül mit einem elektromagnetischen Strahlungsfeld in Wechselwirkung steht, dessen Frequenz der Energiedifferenz zwischen dem angeregten und einem energetisch niedriger liegenden Zustand in dem System entspricht (Die Energie E beschreibt das Plancksche Strahlungsgesetz: E = h * v, dabei ist h = 6,62606896 * 10-34 das Plancksche Wirkungsquantum, v ist die Frequenz der Strahlung).

Dies induziert einen Übergang in den niedrigeren Zustand, die Anregungsenergie wird als Photon emittiert. Als Voraussetzung für eine effektive Verstärkung des Strahlungsfeldes muss das höhere Niveau stärker besetzt sein als das tiefer liegende, da sonst die Schwächung der Strahlung durch Absorption (Übergang vom niederen zum höheren Zustand) größer wäre als die Verstärkung durch stimulierte Emission.

Da eine derartige Besetzungsinversion in der Natur im thermischen Gleichgewichtszustand nicht vorkommt, muss dem atomaren System von außen Energie (Pumpenergie) zur Umkehr der natürlichen Besetzung zugeführt werden.

Um ein Elektron in ein höheres Energieniveau im Atom zu heben, muss es Energie aufnehmen (absorbieren). Bei der Anregung des Elektrons und damit des Atoms (etwa durch Licht) muss die Frequenz des Photons genau der Energiedifferenz DeltaE zwischen zwei Energieniveaus entsprechen.

Im angeregten Zustand verweilt das Elektron etwa 10-8 s und springt dann spontan wieder auf das untere Niveau, den Grundzustand, zurück. Das ursprünglich absorbierte Photon wird in beliebiger Raumrichtung spontan emittiert. In einer konventionellen Lichtquelle werden viele Atome bzw. Moleküle gleichzeitig angeregt, aber der Übergang in den Grundzustand findet statistisch statt, sodass zu verschiedenen Zeiten und in alle Raumrichtungen Wellenzüge emittiert werden. Diese Strahlung ist inkohärent.