Untertitel: Zusammenhängendes Licht
Der Laser ist eine Entwicklung, die auf den Erkenntnissen der Quantenmechanik beruht. Er wurde um 1960 von Theodore Maiman entwickelt.
| Theodore Maiman und sein von ihm erfundener Rubinlaser. |
Auch beim Laserwerden die Photonen durch Quantensprünge erzeugt. Im Gegensatz zu allen anderen Lichtquellen agieren dabei die Elektronen aber als Kollektiv und erzeugen Licht, das aus völlig identischen Photonen besteht. Man sagt dazu kohärentes Licht, das bedeutet so viel wie „zusammenhängend„ (siehe folgende Abb.).
| a) Normales Licht ist eine Mischung aus allen möglichen Frequenzen bzw. Farben, b) Einfarbiges (monochromatisches) Licht beinhaltet nur eine Frequenz, die Wellenzüge haben aber unterschiedliche Richtungen und Phasen, c) Laserlicht besteht aus Photonen, die sich in allen Merkmalen gleichen. Es ist kohärent. |
Um kohärentes Licht zu erzeugen, muss man Metastabilität mit stimulierter Emission verbinden. Sehen wir uns dazu den ersten je gebauten Laser an, weil man an diesem das Prinzip am Einfachsten erkennt. Das Material, das metastabile Niveaus ermöglicht, ist dabei ein Rubinkristall. Um diesen herum befindet sich eine spiralförmige Blitzlampe.
Diese erzeugt einen Lichtblitz und hebt damit die Elektronen des Rubins auf ein höheres, „normales“ Energieniveau (folgende Abb.a). Diesen Vorgang nennt man pumpen. Dann fallen die Elektronen auf das metastabile Niveau zurück (b). Die Energie wird dabei nicht in Form von Strahlung frei, sondern mechanisch an das Kristallgitter abgegeben. Weil sich jetzt mehr Elektronen im angeregten Zustand befinden als im Grundzustand, spricht man nun von einer Inversion (Umkehrung).
Und dann passiert es: Irgendein Elektron fällt spontan als erstes vom metastabilen Niveau und löst bei allen anderen Elektronen eine stimulierte Emission aus (c). Dabei entstehen völlig identische Photonen. Daherauch der Name zusammenhängendes (kohärentes) Licht. Die Wellenlänge beträgt 694 nm. Rotes Licht also!
Wenn sich alle Elektronen auf dem Grundniveau befinden, müssen sie wieder „hinaufgepumpt„ werden. Deshalb kann der Rubinlaser das Licht nur in Impulsen abgeben. Aber bereits 1961 wurde ein Gaslaser erfunden, der kontinuierliches Licht abgeben kann. Die größte unmittelbare Rolle im Alltag spielen aber die Halbleiterlaser. Sie werden in CD- und DVD-Laufwerken, Laserdruckern, Laserpointern, zur Datenübertragung in Glasfaserkabeln oder der Scannerkasse im Supermarkt eingesetzt.
| Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Rubinlasers. Zwischen dem Pumpen und dem Aussenden des Lichtblitzes liegen nur etwa 3/1000 Sekunden. Die entstehenden Photonen (c) werden hin und her reflektiert. Rund 2% verlassen bei jeder Reflexion den Laser durch den halbdurchlässigen Spiegel. Der Abstand der Spiegel ist genau so groß, dass sich dazwischen eine stehende Lichtwelle ausbilden kann. Wichtig: Oben sind die Energieniveaus mehrerer Atome zusammengefasst dargestellt. Nach dem Pauli-Verbot darf ein Niveau ja mit nur maximal zwei Elektronen besetzt sein. |