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Lexikon der Optik: Lamb-dip

Lamb-dip, eine nach W.E. Lamb, Jr., benannte Einsattelung im Zentrum des Doppler-verbreiterten Verstärkungsprofils von Gaslasern. Der L. tritt auf, wenn die durch die Stöße im Lasermedium bedingte homogene Linienbreite Δνh kleiner als die durch den Doppler-Effekt verursachte Breite ΔνD des Laserüberganges ist. Das Laserfeld der Frequenz νL – das im Laserresonator die Form einer stehenden Welle hat, die man sich wiederum aus zwei in entgegengesetzter Richtung laufenden Wellen zusammengesetzt denken darf – wird im wesentlichen durch die beiden Atomgruppen mit der Geschwindigkeit ±vz in Richtung der Resonatorachse z "gespeist", die sich mit der nach rechts bzw. nach links laufenden Welle in Resonanz befinden (Abb.). Aufgrund der Sättigung im nichtlinearen Laserprozeß werden dabei in die spektrale Verstärkungskurve der Breite ΔνD (Doppler-Profil) zwei Löcher "gebrannt", die symmetrisch zum Zentrum ν0 des Verstärkungsprofils liegen und deren Breite durch die homogene Linienbreite Δνh gegeben ist. Im stationären Laserbetrieb ist dann die Sättigungsverstärkung gleich den Verlusten.

Verschiebt man nun die Laserfrequenz νL beispielsweise durch Längenänderung des Resonators über das Doppler-Profil, dann weist die Laserausgangsleistung im Zentrum ν0 der Doppler-Kurve eine Einsattelung, den L., auf, dessen Breite der homogenen Linienbreite Δνh entspricht. Das Auftreten des L.-D. ist dadurch bedingt, daß für νL0 die hin- und die rücklaufende Welle von ein und derselben Gruppe von Atomen verstärkt werden – nämlich von denen, die sich senkrecht zur Resonatorachse bewegen (vz=0), so daß hier die Verstärkung geringer als bei einer Verstimmung νL≠ν0 ist.

Bei den in Gaslasern vorliegenden Drücken von einigen 100 Pa liegt die homogene Linienbreite in der Größenordnung von 100 MHz, so daß ein L. in der Regel nur im sichtbaren Spektralbereich bei Doppler-Breiten größer als 1 GHz beobachtet werden kann. In diesem Spektralbereich wird der L. unter anderem zur Frequenzstabilisierung von Lasern benutzt.

Die obige Aussage, daß eine monochromatische stehende Welle nur dann mit einer einzigen Geschwindigkeitsgruppe von Atomen (oder Molekülen) – statt mit zweien – in Wechselwirkung steht, wenn ihre Frequenz genau auf das Zentrum der (Doppler-verbreiterten) Atomlinie abgestimmt ist, gilt nicht nur für ein verstärkendes, sondern auch für ein absorbierendes gasförmiges Medium. Demzufolge erfährt eine intensive stehende Lichtwelle, die durch Einstrahlung mit einem Laser erzeugt wird, in einer mit dem absorbierenden Gas gefüllten Zelle eine geringere Absorption, wenn die erwähnte Resonanz vorliegt. Das Transmissionsvermögen der Zelle weist dann eine Spitze auf, die als inverser Lamb-dip bezeichnet wird.



Lamb-dip: Spektrale Verstärkungskurve eines Gaslasers. ν0 Zentrum des Verstärkungsprofils, νL Laserfrequenz.

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