Laser

Der Laser geht auf eine Entdeckung A. Einsteins aus dem Jahr 1917 zurück, nach der auf ein Atom oder Molekül treffendes Licht (oder andere elektromagnetische Strahlung) unter gewissen Bedingungen die Emission von Lichtquanten mit identischen physikalischen Eigenschaften auslösen kann. Dieser Effekt, die stimulierte Emission, ist nur im Rahmen der Quantentheorie zu verstehen, seine Entdeckung war ein wichtiger Wegbereiter für deren Formulierung in den 1920er Jahren. Voraussetzung für die stimulierte Emission ist eine sog. Besetzungsumkehr oder Besetzungsinversion. Diese liegt vor, wenn von zwei möglichen Quantenzuständen derjenige mit der höheren Energie von mehr Teilchen (Atomen, Molekülen, …) eingenommen wird als derjenige mit niedrigerer Energie. Unter normalen Umständen kann dies nicht geschehen, mithilfe eines speziellen weiteren Zustands sowie durch Energiezufuhr lässt sich eine solche Besetzungsinversion jedoch erreichen. Dieser Vorgang wird Pumpen genannt, das Material, in dem die Inversion realisiert wird, ist das Lasermedium. Ist die Inversion erreicht, so genügt im Idealfall ein einzelnes Lichtteilchen (Lichtquant, Photon), um eine sich selbst verstärkende Lawine der stimulierten Lichtemission auszulösen. Voraussetzung für die Selbstverstärkung ist, dass die emittierten Photonen im Lasermedium verbleiben und es mehrfach durchlaufen. Das wird durch Spiegel sichergestellt, die sich im einfachsten Fall an zwei Enden des Lasermediums gegenüberstehen. Das Spiegelsystem bildet den sog. Resonator des Lasers. Je nach Pumpenergiequelle (gepulst oder kontinuierlich) und Resonatoraufbau lässt sich die Laserleistung mithilfe halbdurchlässiger Spiegel als zeitlich begrenzter Laserpuls (Pulslaser) oder als kontinuierlicher Laserstrahl (Dauerstrich- oder continuous-wave- bzw. cw-Laser) aus dem Resonator auskoppeln.