In den späten vierziger und wieder in den frühen sechziger Jahren wurden auf der Grundlage der Quantenphysik zwei bedeutende technologische Entwicklungen möglich : Der Transistor und der Laser.
Die Erfindung des Transistors führte zur Entwicklung der Mikroelektronik, die sich mit der (quantenmechanischen) Wechselwirkung zwischen Elektronen und Materie befaßt. Beim Laser geht es um die Wechselwirkung zwischen Photonen und Materie. [TIP-00]
LASER ist ein Akronym und steht für :
Light Amplification by the stimulated emission of radiation und läßt sich am treffendsten mit Lichtverstärkung durch erzwungene Aussendung von Strahlung übersetzen.
Der Laser wirkt als Oszillator und Verstärker für monochromatisches Licht, Infrarot und Ultraviolett, dabei erzeugt er kohärentes Licht. In diesen Funktionen ist er durchgehend einsetzbar in dem Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,1 mm und 3 mm, das heißt rund 15 Oktaven des elektromagnetischen Spektrums. Zum Vergleich sei erwähnt, daß das sichtbare Licht nur die Oktave von circa 0,37 bis 0,75 mm Wellenlänge umfaßt. [SCH-89][
2.1.1.1 Eigenschaften des Laserlichtes
Um die große Bedeutung des Lasers zu erkennen, werden nun im folgenden einige Charakteristika des Laserlichts betrachtet. Hierbei wird der Vergleich eines Lasers mit dem durch eine Wolframfadenlampe emittierten (kontinuierliches Spektrum) oder einem durch eine Neonentladungsröhre (Linienspektrum) ausgestrahlten Lichtes angestellt : [HAL-94]
i) Laserlicht ist nahezu monochromatisch: Wolframlicht, das ein kontinuierliches Spektrum überstreicht, bietet für einen Vergleich keine Basis. Das Licht ausgewählter Linien einer Gasentladungsröhre dagegen kann Wellenlängen im sichtbaren Bereich haben, die auf ungefähr 1 : 106 genau definiert sind. Die Definitionsschärfe von Laserlicht kann leicht tausendmal größer sein, das heißt 1: 109.
ii) Laserlicht ist nahezu kohärent. Die Kohärenzlänge von Laserlicht kann mehrere hundert Kilometer betragen. Zwei Strahlen, die unterschiedliche Wegstrecken dieses Betrages zurückgelegt haben, können noch zur Interferenz gebracht werden. Die Kohärenzlänge für Licht von einer Wolframfadenlampe oder einer Gasentladungsröhre ist dagegen wesentlich kürzer als 1 m.
iii) Laserstrahlen sind nahezu parallel. Laserstrahlen sind nur wegen der Beugungseffekte, die durch die Wellenlänge und den Durchmesser der Austrittsblende bestimmt sind, nicht streng parallel. Licht anderer Lichtquellen kann durch eine Linse oder einen Spiegel zwar annähernd parallel gemacht werden, doch divergiert es wesentlich stärker als Laserlicht. Jeder Punkt einer Wolframfadenlampe zum Beispiel erzeugt einen separaten eigenen Strahl; die Winkeldivergenz des Gesamtstrahls ist nicht durch Beugung, sondern durch die räumliche Ausdehnung des Fadens gegeben.
iv) Laserlicht kann scharf fokussiert werden. Diese Eigenschaft hängt mit der Parallelität des Laserstrahls zusammen. So wie beim Licht der Sterne wird die Größe des fokussierten Strahlenquerschnitts nur durch Beugungseffekte und nicht durch die Ausdehnung der Lichtquelle begrenzt. Flußdichten von ungefähr 1015 W/cm² werden mit gebündeltem Laserlicht leicht erreicht. Im Vergleich dazu hat eine Acetylen/Sauerstoff- Flamme eine Flußdichte von nur etwa 103 W/cm².
2.2.1.2 Vorteile des Lasers
Ein erheblicher Vorteil moderner Lasertechnik ist die immense Bandbreite bezüglich des Einsatzgebietes. Die vielseitigen Anwendungen reichen von Justierarbeiten (Labor, Bauindustrie), Meßtechnik, Holographie, Interferometrie und optische Inspektion über Strichcodeleser, etc. bis zu Anwendungen in Biologie und Medizin. [TIP-00]
2.1.1.3 Physikalische Grundlagen des Lasers
Laserbedingungen
Zur Realisierung eines Lasers muß erstens eine große Anzahl von Elektronen in einem höheren Niveau bereitgestellt werden, und es muß ferner ein tiefer liegendes Niveau genügend wenig besetzt sein, um nach dem induzierten Übergang diese Elektronen aufzunehmen (1. Laser-Bedingung). Zweitens muß für ausreichend stimulierendes Licht gesorgt sein (2. Laser-Bedingung).
Emissionsarten
Abbildung 2 : Wechselwirkung von Materie und Strahlung
Quelle : [HAL-94]
i.) Absorption
Abbildung 2 veranschaulicht ein atomares System, das sich in dem niedrigeren von zwei möglichen Energiezuständen E1 und E2 befindet. Ein Photon aus einem Strahlungsfeld mit kontinuierlichem Spektrum trete mit diesem Atom in Wechselwirkung, wobei die Photonenfrequenz so sei, daß
Als Ergebnis verschwindet das Photon, und das Atom geht in den höheren Energiezustand über. Dieser Prozeß heißt Absorption.
ii.) Spontane Emission
In Abbildung 2 befindet sich das atomare System im höheren Energiezustand, und in der Umgebung ist keine Strahlung. Nach einer mittleren Zeitdauer, geht dieses (isolierte) atomare System von allein in den Zustand niedrigerer Energie über, wobei ein Photon der Energie h * n emittiert wird. Dieser Vorgang wird spontane Emission genannt, sie erfolgt ohne äußere Einwirkung.
Gewöhnlich ist die mittlere Lebensdauer t für die spontane Emission von angeregten Atomen circa 10- 8 s, doch gibt es einige Zustände, für die sie wesentlich länger ist, nämlich ungefähr 10-3 s. Diese metastabilen Zustände spielen eine große Rolle für den Lasereffekt.
Spontan ist der Vorgang also, weil man zwar für einen bestimmten Übergang eine mittlere Verweildauer des Elektrons im höheren Niveau angeben kann, deren Größenordnung meist um 10-8 s liegt. Wann das individuelle Elektron herunterfällt, kann man aber nicht genau festlegen; dies erfolgt spontan und unabhängig von anderen Elektronen und durch keinen äußeren Einfluß veranlaßt.
Das Licht (isotrope Strahlung) eines glühenden Lampendrahtes wird durch spontane Emission erzeugt. Die so entstehenden Photonen sind vollkommen unabhängig voneinander. Sie haben vor allem unterschiedliche Richtungen und Phasen. Anders gesagt, das Licht dieser Photonen hat einen geringen Grad von Kohärenz.
iii.) Erzwungene Emission
In Abbildung 2 ist das atomare System wieder in seinem höheren Energiezustand und gleichzeitig wirkt Strahlung mit einer gegebenen Frequenz.
Wie bei der Absorption tritt ein Photon der Energie h * n mit dem Atom in Wechselwirkung, mit dem Ergebnis, daß das System in den energetisch niedrigen Zustand übergeht und es jetzt zwei Photonen gibt.
Das emittierte Photon in Abbildung 2 ist vollkommen identisch mit dem "stimulierenden" Photon. Sie haben gleiche Energie, Richtung, Phase und Polarisation. Das ist die Ursache für die oben angeführten Eigenschaften des Laserlichts.
Der Prozeß in Abbildung 2 heißt erzwungene Emission oder induzierte Emission. Durch einen einzigen solchen Prozeß kann eine ganze Kettenreaktion gleichartiger Prozesse ausgelöst werden; das ist der Effekt der "Verstärkung" (= amplification).
Boltzmann-Verteilung und Inversion der Besetzungszahlen
Abbildung 3 bezieht sich auf die Wechselwirkung von Strahlung mit einem einzelnen Atom. In Wirklichkeit handelt es sich aber stets um eine Vielzahl von Atomen. Es stellt sich ergo die Frage, wie viele dieser Atome werden sich nun im Energiezustand E1 und wieviel in E2 befinden, wenn man es mit einem Zweiniveau-System wie in Abbildung 3 zu tun hat.
Abbildung 3 : Normale Besetzung eines atomaren Niveaus (a) und Besetzungsinversion (b)
Quelle : [Hal-94]
Ludwig Boltzmann zeigte, daß die Anzahl n(x) der Atome in einem beliebigen Zustand der Energie E(x) im thermischen Gleichgewicht gegeben ist durch
worin C eine Konstante ist. Die Größe kT ist die mittlere Energie für die Anregung eines Atoms bei der Temperatur T, und man sieht, daß bei ansteigenden Temperaturen immer mehr Atome - im langzeitigen Mittelwert - durch thermische Anregung auf das Niveau E(x) "hochgepumpt" werden. Wendet man Gleichung 2 auf die zwei Niveaus des Bild an und dividiert diese, so fällt die Konstante C heraus, und man erhält einen Ausdruck für das Verhältnis der Anzahl der Atome, die sich im höheren Energiezustand befinden, zu der Anzahl der im niedrigen Zustand befindlichen: [TIP-00]
Abbildung 3 illustriert diese Situation. Wegen E2> E1 ist das Verhältnis n2 / n1 immer kleiner als Eins. Das bedeutet, daß immer weniger Atome im höheren Energiezustand als im niedrigeren sind. Dies entspricht den Erwartungen, wenn die Niveaubesetzung der Atome allein durch thermische Anregung...
