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Laser – Besetzungsinversion und stimulierte Emission

PhysikQuanten- und KernphysikAlter 17–18

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Modellieren Sie einen Helium-Neon-Laser (vier Niveaus, gepumpt durch eine Gasentladung) und einen Rubinlaser (drei Niveaus, gepumpt durch eine Blitzlampe). Erhöhen Sie die Pumpleistung, bis sich die Atome im metastabilen Niveau sammeln und eine Besetzungsinversion entsteht; sobald die Verstärkung pro Umlauf die Spiegelverluste übertrifft, baut die stimulierte Emission einen kohärenten Strahl auf. Die Einzelatom-Ansicht zeigt Absorption, spontane und stimulierte Emission, und eine dritte Ansicht vergleicht Spektrum, Phase und Intensität von Laserlicht mit dem Licht einer Lampe.

Lektion: Laser: stimulierte Emission, Besetzungsinversion und Laserschwelle

Was sie zeigt

Ein Laser verstärkt Licht durch stimulierte Emission: Ein Photon, das an einem angeregten Atom vorbeikommt, bringt es dazu, ein gleiches Photon mit derselben Wellenlänge, Phase und Richtung auszusenden. Damit die Emission die Absorption überwiegt, müssen mehr Atome im oberen als im unteren Niveau sein (Besetzungsinversion). Das Pumpen hebt Atome auf ein hohes Niveau, von dem sie rasch in ein langlebiges metastabiles Niveau fallen. Zwei Spiegel schicken die Photonen hin und her; der Laser springt an, wenn die Verstärkung pro Umlauf größer ist als die Verluste. Ein Vier-Niveau-Laser wie der He–Ne-Laser erreicht die Schwelle viel leichter als der Drei-Niveau-Rubinlaser. Verstärkung und Leistung sind nur veranschaulichend.

So funktioniert es

Wählen Sie im Reiter Laser He–Ne oder Rubin, erhöhen Sie die Pumpleistung und ändern Sie Auskoppelspiegel R; beobachten Sie die Besetzung der Niveaus und klicken Sie auf Punkt aufnehmen, um die Ausgangsleistung über der Pumpleistung aufzutragen. Klicken Sie unter Einzelnes Atom auf Pumpen und dann auf Photon senden, um Absorption oder stimulierte Emission zu sehen. Verschieben Sie unter Laser vs. Lampe den Regler Abstand d, um die Intensitäten zu vergleichen.

Einstellbare Parameter

  • Ansicht Laser, Einzelnes Atom, Laser vs. Lampe
  • Lasermedium He–Ne (Gas), Rubin (Kristall)
  • Pumpleistung 0–100 %
  • Reflexionsgrad R des Auskoppelspiegels 80–99,9 %
  • Abstand zum Schirm 1–1000 m

Fragen zum Erkunden

  1. Warum muss das obere Laserniveau metastabil sein?
  2. Warum braucht der Rubinlaser eine viel stärkere Pumpe als der He–Ne-Laser?
  3. Warum lässt der Auskoppelspiegel etwas Licht durch, statt alles zu reflektieren?

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