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Lexikon der Optik: Laser

Laser, Abk. für engl. light amplification by stimulated emission of radiation ("Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung"), eine neuartige, 1960 erstmals realisierte Lichtquelle, mit der es möglich ist, kohärente elektromagnetische Strahlung, wie sie aus der Rundfunk-, Fernseh- und Mikrowellentechnik bekannt ist, auch im optischen Spektralbereich zu erzeugen. Die Verwirklichung des Prinzips der Verstärkung elektromagnetischer Strahlung durch stimulierte Emission gelang 1954 zuerst im Mikrowellenbereich. Die entsprechende Anordnung wird als Maser (Abk. für engl. microwave amplification by stimulated emission of radiation, "Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung") bezeichnet. Als Pioniere auf diesem Gebiet erhielten die russischen Physiker N.G. Basov und A.M. Prochorow zusammen mit dem amerikanischen Physiker C.H. Townes 1964 den Nobelpreis für Physik. 1960 konnte T.H. Maiman mit der Schaffung des ersten Rubin-Festkörperlasers das genannte Prinzip auch im optischen Bereich realisieren.

Notwendig zum Verständnis der Wirkungsweise eines L. ist die Erkenntnis A. Einsteins aus dem Jahre 1917, wonach bei der Wechselwirkung eines Strahlungsfeldes mit Materie (in der Regel Atome oder Moleküle) neben Absorption und spontaner Emission auch stimulierte Emission auftritt (Emission). Die Besonderheit der letzteren besteht darin, daß eine ankommende Lichtwelle ein angeregtes Atom zur Ausstrahlung einer elementaren Lichtwelle mit gleichen Eigenschaften (Wellenlänge, Phase, Ausbreitungsrichtung und Polarisation) veranlaßt (stimuliert), so daß die ankommende Lichtwelle verstärkt wird. Die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission im Verhältnis zur spontanen Emission nimmt mit zunehmender Frequenz ν der Strahlung proportional zu ν-3 ab und ist genau gleich der Wahrscheinlichkeit für die Absorption. Hieraus folgt, daß die Absorption stets die stimulierte Emission überwiegt, wenn sich mehr Atome im unteren (absorptionsfähigen) Zustand befinden als im oberen (angeregten, d.h. strahlungsfähigen) Zustand. Das ist der Fall bei allen üblichen, konventionellen Lichtquellen, bei denen die Anregung der Atome oder Moleküle (Vorliegen einer Boltzmann-Verteilung, Besetzungsinversion) durch Stöße erfolgt, wobei die Stoßenergie durch chemische Prozesse (Verbrennungslampen) oder in Form von elektrischer Energie (elektrische Lampen) zugeführt wird. Die von einem solchen System ausgesandte Strahlung wird wesentlich durch spontane Emission erzeugt. Für ein Überwiegen der stimulierten Emission gegenüber der Absorption ist eine Besetzungsinversion erforderlich (1. Laserbedingung). Des weiteren muß das Strahlungsfeld eine hohe spektrale Energiedichte besitzen, damit die Wahrscheinlichkeit für stimulierte Emission deutlich größer ist als für spontane. Dies wird durch optische Rückkopplung der Strahlung in einem optischen Resonator erreicht, in dem sich nur bestimmte räumliche Feldverteilungen mit diskreten Werten der Frequenz (Resonatormoden) ausbilden können. Die Strahlungsenergie wird so in wenigen Moden konzentriert.

Übertrifft die bei einem Umlauf im Resonator erfolgende Verstärkung der Strahlung die dabei auftretende Schwächung infolge von Verlusten (durch Streuung, Absorption und Auskopplung der Strahlung) (2. Laserbedingung, auch als Schwellenbedingung bezeichnet), so schwingt das System selbsterregt (ausgehend von spontan emittierter Strahlung) als ein Oszillator an (Schwingungen synchronisierter atomarer Dipole), den man als L. bezeichnet.

Die Strahlung des L. zeichnet sich im Vergleich zu der konventioneller Lichtquellen durch eine hohe spektrale Energiedichte, Monochromasie bei teilweiser Abstimmbarkeit (abstimmbare Laser), große zeitliche und räumliche Kohärenz, Amplitudenstabilität im Einmodenbetrieb sowie kleine Winkeldivergenz (Laserlicht) aus. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit der Erzeugung kürzester Lichtimpulse (Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser). Als strahlende, aktive Medien kommen die verschiedensten Materialien in Betracht wie Festkörper (insbesondere Kristalle, dotiertes Glas und Halbleitermaterialien), Gase, Plasmen und Farbstofflösungen.

Entsprechend diesen Medien werden die verschiedenen Lasertypen unterschieden. Die wichtigsten heute gebräuchlichen Lasertypen sind nach dieser Einteilung der Festkörperlaser, der Gaslaser, der Halbleiterlaser, insbesondere in der Form des Injektionslasers, und der Farbstofflaser. Vor allem im Hinblick auf die Ausdehnung des Laserprinzips zu kürzeren Wellenlängen hin, bis in den Röntgenbereich (Röntgenlaser), kommt dem Rekombinationslaser eine gewisse Bedeutung zu. Ähnliches gilt insbesondere in bezug auf Abstimmbarkeit und Leistung im mittleren IR-Bereich für den Freie-Elektronen-Laser.

Laserausstrahlung wird in einem weiten Wellenlängengebiet erhalten. Es reicht vom Submillimeter- (FIR-Laser) bis in den VUV-Bereich (H2-Laser). Die Erzeugung noch kürzerwelliger kohärenter Strahlung ist durch Frequenztransformation der Laserstrahlung mit Mitteln der nichtlinearen Optik möglich. Die Strahlungsleistungen der L. reichen im kontinuierlichen Betrieb von wenigen mW bis zu 1 kW (für CO2-Hochleistungslaser), während sie im Impulsbetrieb bei Impulsdauern im ns-Bereich zwischen 1 und 100 MW, je nach Lasertyp, liegen. Besonders hohe Impulsleistungen sind mit gütegeschalteten Lasern zu erreichen, während zur Erzeugung extrem kurzer Impulse bis zu 10-12 s Dauer und darunter spezielle Anordnungen zum mode locking verwendet werden. Der Wirkungsgrad der L. liegt üblicherweise bei 1% und (wesentlich) darunter, bei möglichen Maximalwerten bis zu 20% für spezielle Gas- bzw. 90% für Halbleiterlaser.

Die Strahlungseigenschaften der L. werden zum einen durch das aktive Medium und die hierdurch festgelegten Wellenlängen, bei denen Ausstrahlung möglich ist, und zum anderen durch den optischen Resonator bestimmt. Die Linienbreite der Laserstrahlung liegt im allgemeinen im Dauerstrichbetrieb zwischen 0,01 und 1 nm, während sie für kürzere Impulse (ns) bis zu einigen 10 nm betragen kann.

Die Laserstrahlung findet vielfältigste Anwendungen im wissenschaftlichen und technischen Bereich. Besonders genannt seien nichtlineare Optik und Laserspektroskopie (hochauflösende Spektroskopie in Gasen), Laserchemie (Photochemie), Biologie und Medizin (Lasermedizin), Materialbearbeitung mit Lasern, Lasermeßtechnik, Holographie, lasergesteuerte Kernfusion und militärische Anwendungen des Lasers.

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