Was ist das Funktionsprinzip von Lasern

Der Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist eine technologische Errungenschaft, die in den letzten Jahrzehnten eine immer wichtigere Rolle in verschiedenen Bereichen wie Medizin, Industrie und Kommunikation spielt. Doch wie funktioniert ein Laser eigentlich?

Das Grundprinzip eines Lasers basiert auf der Stimulierten Emission, einem physikalischen Phänomen, bei dem ein Atom oder Molekül durch die Einstrahlung von Lichtenergie angeregt wird und dabei ein Photon aussendet. Dieses ausgesendete Photon besitzt die gleiche Energie, Phasenlage und Ausbreitungsrichtung wie das einfallende Photon. Genau diese Eigenschaft der stimulierten Emission ermöglicht die Erzeugung eines Laserstrahls.

Im Inneren eines Lasers befindet sich ein aktives Medium, das aus einer großen Anzahl von Atomen oder Molekülen besteht. Dieses aktive Medium kann aus verschiedenen Materialien wie Festkörpern, Gasen oder Flüssigkeiten bestehen, je nachdem, für welche Anwendung der Laser entwickelt wurde. Das aktive Medium ist von zwei Spiegeln umgeben, wobei einer der Spiegel teilweise durchlässig ist. Dieser halbdurchlässige Spiegel ermöglicht den Austritt des Laserstrahls.

Um den Laserstrahl zu erzeugen, wird das aktive Medium mit Energie versorgt. Dies kann durch elektrische oder optische Anregung geschehen. Bei einer elektrischen Anregung wird das aktive Medium mit Strom versorgt, wodurch Elektronen in den Atomen oder Molekülen auf ein höheres Energie-Niveau angehoben werden. Bei einer optischen Anregung wird das aktive Medium mit einem Laserstrahl bestrahlt, der die Atome oder Moleküle des aktiven Mediums anregt.

Die angeregten Elektronen können nun spontan wieder in den Grundzustand zurückfallen und dabei ein Photon aussenden, das jedoch nicht kohärent ist. Um kohärentes Licht zu erzeugen, werden die Elektronen durch den effektiven Einsatz der stimulierten Emission dazu gebracht, auf die gleiche Art und Weise wie das einfallende Photon ein Photon auszusenden. Diese zusätzlichen Photonen wiederum regen wiederum weitere Elektronen an, wodurch eine Verstärkung des Lichts stattfindet. Eine sogenannte Besetzungsinversion, bei der mehr Atome oder Moleküle im angeregten Zustand sind als im Grundzustand, ermöglicht einen starken Laserstrahl.

Der Laserstrahl selbst breitet sich anschließend zwischen den beiden Spiegeln hin und her aus und wird dabei verstärkt, da bei jedem Durchgang durch das aktive Medium weitere Photonen erzeugt werden. Durch den halbdurchlässigen Spiegel kann ein Teil des Laserstrahls austreten und für verschiedene Anwendungen genutzt werden.

Die Eigenschaften des Laserstrahls wie seine Wellenlänge, Intensität und Kohärenz können durch die Wahl des aktiven Mediums und die Konstruktion des Lasers gezielt beeinflusst werden. Dies macht den Laser zu einem äußerst vielseitigen Werkzeug in vielen Bereichen. Ob in der Medizin für chirurgische Eingriffe, in der Industrie für präzise Materialbearbeitung oder in der Kommunikation für die Übertragung großer Datenmengen – der Laser hat unser Leben in vielerlei Hinsicht bereichert.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Funktionsprinzip von Lasern auf der stimulierten Emission basiert, bei der ein Atom oder Molekül durch die Einstrahlung von Lichtenergie angeregt wird und dabei ein Photon aussendet. Die Verwendung eines aktiven Mediums und eines halbdurchlässigen Spiegels ermöglicht die Erzeugung und Verstärkung eines kohärenten Laserstrahls. Durch die gezielte Wahl des aktiven Mediums und die Konstruktion des Lasers können die Eigenschaften des Laserstrahls beeinflusst werden, was den Laser zu einem vielseitigen Werkzeug in vielen Bereichen macht.