Laser – Wie funktioniert er und warum sind Laser so cool?

• Wie redet Licht mit Atomen?
• Woraus besteht ein Laser?
• Wie funktioniert ein Laser?
• Der Laser einfach erklärt!

Licht regt Atome an

Bob: Hey Alice, wie funktioniert ein Laser?

Alice: Super Frage. Dazu müssen wir verstehen auf welche Arten Licht mit Atomen reden kann. Stell dir vor, dass ein Photon (Licht besteht aus Photonen) auf ein total entspanntes Atom zufliegt. Wenn dieses Photon resonant mit dem Atom ist, kann es vom Atom absorbiert werden. Dann verschwindet das Photon, und das Atom ist in einem sogenannten angeregten Zustand. Es wird ein kleines bisschen größer.

Bob: Was bedeutet „wenn dieses Photon resonant mit dem Atom ist“?

Alice: Das bedeutet, dass die Energie vom Photon genau der Energie entspricht, die das Atom benötigt um sich anzuregen. Das ist eine Konsequenz der Quantenphysik. Ein Atom kann nur bestimmte Energien aufnehmen. Und nur wenn das Photon eine dieser passenden Energien hat, kann es mit dem Atom reden.

Bob: Ich dachte Resonanz hat was mit Frequenzen zu tun.

Alice: Das stimmt. Allerdings sind in der Quantenphysik Energie und Frequenz durch eine Naturkonstante – das Planck’sche Wirkungsquantum – verknüpft. Das heißt wenn die Energie passt, passt auch die Frequenz.

Bob: Verstehe. Und was passiert, wenn das Photon eine unpassende Energie hat?

Alice: Dann kann es mit dem Atom nicht reden. Es fliegt einfach durch das Atom hindurch.

Bob: Ok. Wenn die Energie passt, dann kann ein Photon also ein Atom anregen. Und jetzt?

Spontane Emission

Alice: Atome mögen nicht angeregt sein. Sie wollen entspannt sein. Sie wollen die Energie so schnell wie möglich wieder loswerden. Das tun sie, indem sie ein neues Photon aussenden und sich dabei abregen. Das passiert zu einem zufälligen Zeitpunkt in eine zufällige Richtung. Diesen Prozess nennt man auch spontane Emission. Spontane Emission ist der Grund warum wir sehen können. Das Licht von der Sonne oder einer Lampe wird von den Atomen deines Stuhls absorbiert und sehr schnell wieder spontan emittiert. Dieses Licht fliegt dann in unsere Pupille und erzählt unserem Gehirn wo der Stuhl steht, damit wir uns nicht dauernd die Schienbeine anhauen.

Bob: Zum großen Leid der Schienbeinschonerindustrie.

Alice: Ja. Spontane Emission ist deren größter Feind.

Bob: Okay, und was hat das jetzt mit Lasern zu tun?

Stimulierte Emission

Alice: Neben der Absorption und der spontanen Emission gibt es noch einen dritten Prozess. Dieser dritte Prozess ist für die Existenz des Lasers verantwortlich. Diesen Prozess hat übrigens Albert Einstein zuerst entdeckt.

Bob: Und der wäre?

Alice: Er nennt sich stimulierte Emission.  Wenn ein Atom in einem angeregten Zustand ist, dauert es eine kurze Zeit, bis es sich wieder abregen kann. Wenn während dieser kurzen Zeit ein Photon auf das Atom zufliegt, dann kann sich das Atom noch schneller abregen, indem es ein weiteres Photon aussendet, welches genau die gleichen Eigenschaften besitzt wie das ankommende Photon.

Bob: Die Photonen verbrüdern sich?

Alice: Sie verzwillingen sich sogar. Nach einer stimulierten Emission fliegen zwei Photonen von dem Atom weg, welche exakt die gleiche Richtung, Frequenz und Phase besitzen.

Bob: Was ist denn eine Phase?

Alice: Eine Phase ist eine Eigenschaft von Wellen und allem was schwingt. Wenn zwei Wellen die gleiche Phase besitzen bedeutet das, dass die zwei Wellen genau gleich aussehen. Wellenberge treffen auf Wellenberge und Wellentäler treffen auf Wellentäler. Sie schwingen sozusagen im Takt. Wenn sie unterschiedliche Phasen haben, bedeutet das, dass die Wellen zueinander etwas verschoben sind und schwingen nicht mehr im Takt. Dann sieht die Lichtwelle nicht mehr schön regelmäßig aus.

Bob: Okay. Und jetzt? Was passiert nun in einem Laser?

Der Laser

Alice: Ein Laser ist super einfach gebaut. Er besteht nur aus einer Energiequelle, zwei Spiegeln und einem Material, welches man auch Lasermedium oder Verstärkungsmedium nennt. Dieses Material kann fast alles sein, sogar ein Pudding.

Bob: Was eine Verschwendung eines Puddings.

Alice: Ja das grenzt an Frevelei. Die ganze Idee eines Lasers ist nun Folgende: Wenn man es schafft, dass in dem Verstärkungsmedium alle Atome angeregt sind, dann ergibt sich durch die stimulierte Emission eine Kettenreaktion. Das erste Photon macht stimulierte Emission mit dem ersten Atom und jetzt haben wir zwei identische Photonen. Diese zwei Photonen machen stimulierte Emission mit den nächsten beiden Atomen und schon haben wir vier identische Photonen. Daraus werden dann acht und 16 und auf einmal haben wir unglaublich viele identische Photonen. Und alle fliegen in die gleiche Richtung. Damit so eine Kettenreaktion entsteht müssen aber nicht alle Atome angeregt sein. Aber es müssen mehr angeregt als entspannt sein.

Bob: Warum?

Alice: Wenn genauso viele angeregt wie entspannt sind, dann nehmen die entspannten Atome durch den Prozess der Absorption genauso viele Photonen wieder weg, wie die angeregten durch die stimulierte Emission beisteuern können. Dann ist es sehr unwahrscheinlich, dass mehr als eine Handvoll identischer Photonen entstehen.

Bob: Okay, das macht Sinn. Und was sollen die Spiegel?

Alice:  Die zwei Spiegel werden gegenüber aufgestellt, sodass sich das Verstärkungsmedium genau zwischen den Spiegeln befindet. Und in einem von den Spiegeln bohren wir ein kleines Loch. Die Spiegel sorgen dafür, dass die Photonen ganz oft hin und her fliegen, sodass die Photonen ganz oft durch das Verstärkungsmedium müssen und noch mehr stimulierte Emission betreiben bevor sie durch das kleine Loch nach draußen dürfen.

Bob: Aus diesem kleinen Loch kommt dann der Laserstrahl raus.

Der Laserstrahl

Alice. Exakt. Und dieser Laserstrahl besteht aus lauter identischen Photonen. Alle fliegen in die gleiche Richtung, haben die gleiche Frequenz und die gleiche Phase. Deshalb ist Laserlicht so besonders. Es ist ein dünner Strahl, der auch dünn bleibt, da alle Photonen in die gleiche Richtung fliegen. Und es ist eine perfekte Welle, weil alle Photonen die gleiche Phase haben. Und er ist monochromatisch, das heißt er hat nur eine Farbe, da alle Photonen die gleiche Frequenz besitzen.

Die Besetzungsinversion

Bob: Okay. Cool. Und wie krieg ich jetzt mehr als Hälfte aller Atome dazu, ständig angeregt zu sein? Ich dachte, dass mögen sie überhaupt nicht.

Alice: Super Frage. Wenn mehr als die Hälfte aller Atome angeregt sind, nennt man das übrigens eine Besetzungsinversion. Das interessante daran ist, dass sie eine negative Temperatur besitzt. Und zwar in Kelvin. Absurderweise ist eine negative Temperatur heißer als die heißeste positive Temperatur.

Bob: Das beantwortet meine Frage nicht.

Alice: Ah ja stimmt. Sorry ich schweife ab. Für eine Besetzungsinversion brauchen wir eine Energiequelle. Das kann Licht sein, oder ein sich veränderndes elektrisches Feld. Diese Energiequelle wird um das Medium gewickelt und regt die Atome ständig an. Da gibt es aber noch ein kleines Problem. Gäbe es nur einen einzigen angeregten Zustand, würde das nicht funktionieren. Die Gründe sind etwas kompliziert und würden den Ramen hier sprengen. Es reicht, wenn du weißt, dass Atome mehr als nur einen angeregten Zustand besitzen, und diese zusätzlichen Zustände erlauben dann eine Besetzungsinversion.

Bob: Wahnsinn. Das Prinzip klingt ja wirklich simpel. Warum hat nie jemand zufällig einen Laser gebaut, wenn sogar ein Pudding als Verstärkungsmedium funktioniert?

Die Spiegel: Ein optischer Resonantor

Alice: Man muss schon genau verstehen was man tut, wenn man einen Laser baut. Zum Beispiel muss der Abstand zwischen den Spiegeln genau stimmen. Das Laserlicht muss genau dazwischen passen.

Bob: Was soll das heißen, wie kann Licht irgendwo dazwischen passen?

Alice: Licht hat eine Wellenlänge. Dazwischen passen bedeutet, dass die Knoten der Welle, also da wo kein Licht ist, genau bei den Spiegeln sind. Zwei Spiegel, die gegenüber voneinander stehen, nennt man auch einen optischen Resonator. Nur Photonen, die genau dazwischen passen sind resonant mit diesem optischen Resonator und können sich zwischen den Spiegeln aufhalten. Dann entsteht eine stehende Welle und bei guten Spiegeln fliegen die Photonen dann sehr oft hin und her bevor sie den optischen Resonator verlassen.

Bob: Es fällt mir nicht leicht mir Vorzustellen, dass Licht aus Photonen, also kleinen Teilchen, besteht und gleichzeitig eine Welle sein soll.

Alice: Ja. Der Welle-Teilchen Dualismus ist schon was Abgefahrenes.

Bob: Okay. Danke. Und warum sind Laser so cool?

Warum sind Laser so cool?

Alice: Naja, außer dass man sie auf den Köpfen von Haien montieren kann, basiert fast unsere gesamte moderne Technologie auf der Erfindung des Lasers. Mit Lasern kann man extrem genau Abstände messen. Moderne Autos, Computer, Festplatten, moderne Medizin. All das wäre ohne Laser undenkbar. Außerdem kann man mit fokussierten Lasern auch noch Bakterien, Zellen und andere kleine Dinge fangen und sie herumschieben. Solche Laser nennt man dann auch optische Pinzetten.

Bob: Verrückt.

Alice: Und wie. Achja. Laser ist übrigens ein Akronym für light amplification by stimulated emission of radiation. Auf deutsch: Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Und du verstehst jetzt auch warum!

Bob: Tu ich. Danke, Alice.

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