13 Laser
Ein Laser ist eine Lichtquelle, die kohärentes Licht abstrahlt, also kohärente Photonen. Kohärente Photonen haben
- die gleiche Energie
- die gleiche Wellenlänge (das folgt aus der Energie)
- die gleiche Phase ("sie schwingen parallel")
Das Lasermedium - oder woher kommt das Licht?
Das Herz eines jeden Lasers ist das Lasermedium. Ein Lasermedium besteht aus einem Material, in dem es Elektronen gibt, die einen metastabilen angeregten Zustand einnehmen können. Das heißt ein Elektron wird durch Licht oder elektrische Energie in ein höheres Energieniveau gehoben, auf dem es eine Weile bleiben kann. Ein solches Energieniveau kann nur indirekt erreicht werden. Denn wenn ein Elektron leicht in ein höheres Energieniveau "geschubst" werden kann, dann fällte es genau so schnell wieder in den Ausgangszustand zurück.
Die Lösung sind Systeme mit mindestens drei Energienivaus:
Ein Elektron gelangt bei der Anregung vom Grundniveau E1 in das angeregte Energienivea E3. Von dort kann es unter Abgabe von ein wenig Energie - d.h. in er Regel Wärme - in das metastabile Energieniveau E2 fallen. Hier kann das angeregte Elektron nun in Seelenruhe warten, bis ein passendes Photon vorbeikommt, dessen Energie genau der Energiedifferenz 
entspricht. Dann entsteht stimulierte Emission, dass heißt das Elektron fällt in seinen Grundzustand zurück und zwei kohärente Photonen verlassen das nun nicht mehr angeregte System - das auslösende und das durch die stimuierte Emission entstandene Photon:
Der Resonator - oder wo kommen die auslösenden Photonen her?
Ein Lasermedium wird zwischen zwei Spiegel platziert. Das heißt wenn im Lasermedium ein einziges Photon spontan entstehen sollte, dann fällt dieses in den Spiegel. Von dort wird dieses Photon zurück ins Lasermedium reflektiert, wo es mit stimulierter Emission ein zweites Photon erzeugen kann. Diese beiden Elektronen fallen wieder auf einen Spiegel, und können auf ihrem Rückweg wieder zwei weitere Photonen erzeugen:
Einer der beiden Spiegel ist halb durchlässig und kann daher etwas von dem so entstehendem Licht als kohärentes Laserlicht auskoppeln. Zwischen den beiden Spiegeln entsteht so eine stehende Welle aus Photonen. Diese stehende Welle hat am Spiegel immer einen Schwingungsknoten, d.h. die Länge so eines Resonators ist ein Vielfaches einer Wellenlänge des Laserlichtes.
Die Pumpe - oder wo kommt die Energie her?
Damit die Elektronen des Lasermediums in den angeregten Zustand kommen, muss ihnen Energie zugeführt werden. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Manche Laser werden mit Licht "gepumpt", d.h. ein Laser oder ein Blitzlicht dient dazu, die Elektronen anzuregen. In vielen Fällen wird das auch mit elektrischer Energie gemacht, wie in den sehr verbreiteten Halbleiterlasern.
Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik13-1