Frage zu einem Laser?
Hi ihr Lieben,
ich beschäftige mich gerade mit dem Thema Wellenlängen und Laser. Nun habe ich diese Frage auf die ich irgendwie keine Antwort finde. Hat jemand eine Idee, warum ein Laser zwei Energieniveaus benötigt?
Erläutern Sie, warum ein Laser mehr als zwei Energieniveaus benötigt.
3 Antworten
Das hat quantenphysikalische Gründe. Laser bedeutet ja Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, oder auf Deutsch: Light Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung.
Diese Stimulierte Emission ist das was die Energieniveaus benötigt. Wenn du viele Gasatome hast, so können diese ein einkommendes Photon absorbieren, wodurch sie ihr Energieniveau erhöhen. Sie können auch ein Photon spontan abstrahlen, wodurch sie ihr Energieniveau verringern. Was sie zudem können, ist beim Eintreffen eines Photons, den Stimulus nutzen und selbst zusätzlich auch ein Photon zu dem bereits vorhandenen abstrahlen. Letzteres nennt man stimulierte Emission. Das ist das, weshalb der Laser so toll ist.
Hätte man nun nur zwei mögliche Energieniveaus, dann kann man zeigen, dass diese sich im Gleichgewicht halten, bzw. sich im Energiegünstigeren Niveau mehr Atome ansammeln. Damit stimulierte Emission aber die Hauptursache der Emission wird, möchte man, dass sich der Großteil der Atome im angeregten (höheren) Energieniveau befinden. Man spricht bei so einer Anordnung dann von Besatzungsinversion.
Mit drei Energieniveaus, kann man dafür sorgen, dass die Atome zunächst auf das höchste Niveau angeregt werden und sich dann spontan nach und nach wieder abregen. Dieses Abregen auf den niedrigsten Zustand dauert dann aber wegen dem extra Niveau einen Schritt länger, wodurch man tatsächlich die meisten Atome im obersten oder mittleren Zustand bekommt. Damit erhält man dann erst diese Besatzungsinversion und der Laser kann funktionieren! Oftmals nutzt man sogar auch vier Niveau, weil der Prozess dann noch besser funktioniert.
In meiner Bachelorarbeit habe ich damals etwas zu Lasertheorie gemacht und du kannst mit einem Zwei-Niveau-System (ZNS) halt keine Besetzungsinversion aufbauen. Du musst nämlich mehr Atome im angeregten Zustand haben als im Grundzustand und im ZNS würden die Besetzungen gleich werden und auf 1/2 gehen. Daher ist mindestens ein drittes Niveau nötig von dort aus relaxieren die Elektronen in den angeregten Zustand, wobei der Übergang selbst nicht strahlend ist. Erst beim Übergang vom angeregten in den Grundzustand wird Licht emittiert. Und es baut sich eine Laserintensität auf, die auf jeden Fall mit eingehen muss in die Differentialgleichungen der Besetzungen (außer im Pumpniveau).
Er braucht sogar 3 oder 4 Niveaus.