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Lexikon der Optik: optisches Pumpen

optisches Pumpen, 1) Verfahren zur gezielten Änderung der Besetzung dicht beeinanderliegender atomarer oder molekularer Niveaus durch resonante Einstrahlung von Licht. Je nach Art des verwendeten Lichtes sind die folgenden beiden Methoden zu unterscheiden.

a) O. P. mit konventionellen Lichtquellen. Dieses von A. Kastler 1950 zuerst vorgeschlagene Verfahren nutzt die Tatsache, daß der Polarisationszustand des Lichtes, das bei einem Übergang zwischen zwei zu verschiedenen Elektronenzuständen gehörigen Unterniveaus emittiert oder absorbiert wird, von den magnetischen Quantenzahlen dieser Unterniveaus abhängt. Wenn m' die magnetische Quantenzahl des höheren und m die des tieferen Niveaus bezeichnet, gilt der in der Tabelle angegebene Zusammenhang.



Strahlt man daher geeignet polarisiertes (in den meisten Fällen zirkular polarisiertes) Licht ein, so entsteht im Zusammenspiel mit den spontanen Ausstrahlungsprozessen, welche die Atome in den Grundzustand zurückführen, eine ungleichmäßige Besetzung der Unterniveaus des angeregten wie des Grundzustandes.

Diese Art des o. P. bildet die Grundlage für die Hochfrequenzspektroskopie an atomaren Gasen. Dazu ist zunächst erforderlich, daß die (zu ein und demselben Elektronenzustand gehörigen) Unterniveaus eine unterschiedliche Lage haben. Dies ist der Fall bei der Hyperfeinstrukturaufspaltung; bei Entartung erreicht man die Trennung der Niveaus durch Anlegen eines statischen homogenen Magnetfeldes (Zeeman-Aufspaltung). Ein eingestrahltes Hochfrequenzfeld (magnetische Dipolstrahlung) bewirkt Übergänge zwischen zwei benachbarten Zeeman-Niveaus oder auch zwischen zwei Feinstruktur-Niveaus, die sich in der magnetischen Quantenzahl um Eins unterscheiden, wenn Resonanz vorliegt, d.h., wenn die mit dem Planckschen Wirkungsquantum h multiplizierte Hochfrequenz mit dem Niveauabstand übereinstimmt. Es kommt allerdings nur dann zu einer Änderung der Besetzungsverhältnisse, wenn anfänglich keine Gleichbesetzung vorliegt, so daß entweder Absorption oder induzierte Emission überwiegt. (Im Gegensatz dazu halten sich im Gleichgewicht, wo die Besetzung der Unterniveaus praktisch die gleiche ist, Absorption und induzierte Emission die Waage.) O. P. ist daher erforderlich, um die benötigten Besetzungsunterschiede zu erzeugen. Das eingestrahlte Hochfrequenzfeld hat die Tendenz, den Zustand der Gleichbesetzung wieder herzustellen. Dadurch wirkt es wiederum auf die optischen Übergänge zurück.

Experimentell geht man so vor, daß man geeignet polarisiertes Licht, das sich mit dem Elektronenübergang in Resonanz befindet, zusammen mit einer Hochfrequenzstrahlung durch die gasförmige Probe schickt. Bei Durchstimmen der Hochfrequenz treten Resonanzen auf, die als Änderung entweder der Transparenz der Probe oder des Polarisationsgrades des von der Probe remittierten Lichtes nachgewiesen werden können. Es handelt sich somit um eine Doppelresonanzmethode. Da die Doppler-Breite der Hochfrequenzsignale wegen der im Vergleich zum Licht sehr kleinen Frequenz der Strahlung außerordentlich gering ist (sie liegt bei etwa 500 Hz), lassen sich mit diesem Verfahren Feinstruktur- und Zeeman-Aufspaltungen sehr genau bestimmen. Des weiteren kann man aus der Linienbreite der Hochfrequenzsignale, die bei der Untersuchung elektronisch angeregter Zustände beobachtet werden, auf die mittlere Lebensdauer des angeregten Zustandes schließen und damit sehr genau die Oszillatorstärke ermitteln.

b) O. P. mit Lasern. Die große Frequenzschärfe der Laserstrahlung reicht bereits aus, um gezielt eines von vielen dicht beieinander liegenden Niveaus, z.B. ein Schwingungs- oder ein Rotationsniveau, allein zu bevölkern, weil sich die Strahlung nur mit einem einzigen Übergang in Resonanz befindet.

2) o. P. von Lasern. Darunter versteht man allgemein die Anregung des aktiven Mediums eines Lasers durch elektromagnetische Strahlung zwecks Erzeugung einer Besetzungsinversion. Die Strahlung wird absorbiert, was zur Besetzung höher liegender Elektronen- oder Schwingungs-Rotationsniveaus der strahlungsfähigen (laseraktiven) Atome, Moleküle oder Ionen führt. Eine hohe Effektivität wird beim o. P. erreicht, wenn zum einen durch eine geeignete Pumplichtanordnung dafür gesorgt wird, daß ein Großteil der Strahlung in das aktive Medium gelangt, und dieses zum anderen breite Absorptionsbänder besitzt. Bei der Auswahl der Pumplichtquellen ist damit die Forderung zu stellen, daß der Hauptanteil der von ihnen emittierten Strahlung in dem Spektralbereich liegt, in dem die Absorption des Lasermaterials erfolgt. Verwendet werden stabförmige Blitzlampen (Länge 100 bis 500 mm, Durchmesser 5 bis 20 mm) bei Arbeitsspannungen von einigen kV mit etwa 103 J Energie für Impulsanregung, sowie Krypton-Bogen-, Quecksilber- und Halogenlampen (Leistung einige kW) für kontinuierliche Anregung. Darüber hinaus werden heute vielfach Laser selbst zum o. P. benutzt, insbesondere Edelgasionenlaser im kontinuierlichen und Excimerlaser im Impulsbetrieb. In zunehmendem Maße werden Festkörperlaser sehr effektiv mit Lasern, insbesondere auch Halbleiterlasern gepumpt (diodengepumpte Laser). Mit schmalbandigen Lasern kann darüber hinaus eine selektive Anregung erreicht werden. Auf diese Weise werden unter anderem die FIR-Laser (unter Verwendung von CO2-Lasern als Pumplichtquellen) oder auch der Titan-Saphir-Laser (mit der zweiten Harmonischen des Neodym-YAG-Laser als Pumplichtquelle) gepumpt.

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