Wie funktioniert ein Laser?
Der LASER (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) ist ein Triumph der modernen Optik. Durch Ausnutzung eines quantenmechanischen Effekts, der als stimulierte Emission bezeichnet wird, erzeugen Laser einen kohärenten, nahezu monochromatischen Photonenstrahl. Nicht-Laserlichtquellen erzeugen typischerweise inkohärente, nicht fokussierte Lichtstrahlen mit einer Vielzahl von Wellenlängen, was bestimmte Anwendungen verbietet.
Um einen Laser zu erzeugen, sind zwei Komponenten erforderlich - ein Verstärkungsmedium und eine resonante optische Kavität. Für ein Verstärkungsmedium können bestimmte Kristalle, Gläser, Gase, Halbleiter und sogar gefärbte Flüssigkeiten verwendet werden. Das Verstärkungsmedium wird durch eine Energiepumpquelle wie einen elektrischen Strom oder einen anderen Laser angeregt. Das Medium absorbiert die Energie und regt den Zustand der Partikel im Medium an. Nach Erreichen einer bestimmten Schwelle, die als Populationsinversion bezeichnet wird, bewirkt das Durchstrahlen des Mediums eine stärkere Emission oder Freisetzung von Energie als die Absorption.
Ein resonanter optischer Hohlraum ist eine speziell bemessene Kammer mit einem Spiegel an einem Ende und einem halbversilberten Spiegel am anderen Ende. Die zwei reflektierenden Oberflächen bewirken, dass das im Inneren eingeschlossene Licht durch das Verstärkungsmedium hin und her reflektiert wird und mit jedem Durchgang mehr Energie gewinnt. Wenn dieser Effekt nachlässt, wird die Verstärkung als gesättigt bezeichnet und das Licht wird zu echtem Laserlicht. Unterschiedliche Verstärkungsmedien führen zu Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen.
Zwei Arten von Lasern sind kontinuierlich und pulsierend. Der kontinuierliche Laser ist für die meisten Anwendungen nützlicher, aber die Energie in einem Pulslaser kann sehr groß sein. Der Grad der zeitlichen Streuung des Strahls ändert sich umgekehrt proportional zu seinem Durchmesser. Kleine Strahlen breiten sich schnell aus, während größere Strahlen kohärent bleiben.
Als der Laser 1960 von Bell Labs patentiert wurde, konnte er nicht sofort angewendet werden, obwohl Spektrometrie, Interferometrie, Radar und Kernfusion als potenzielle Interessensgebiete diskutiert wurden. Heutzutage gehört der Laser zu den vielseitigsten technologischen Wundern mit Anwendungen in den Bereichen Datenspeicherung und -abruf, Laserschneiden, Sichtkorrektur, Vermessung, Messung, Holographie und Anzeige sowie Kernfusion. Die maximal erreichbare Laserpulsintensität hat seit Mitte der 1980er Jahre exponentiell zugenommen. Eines Tages könnten Laser verwendet werden, um Netto-Fusionsreaktionen zu erzeugen, die Energie für die gesamte Menschheit liefern. Sie könnten auch verwendet werden, um Sonnensegel in die Tiefen des Weltraums zu drücken.