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Lexikon der Physik: Niveauschema

Niveauschema, derjenige Teil des elektronischen, Vibrations- oder Rotations-Termschemas eines in einem Lasermedium verwendeten Atoms, Moleküls oder Festkörpers, der direkt oder indirekt an der induzierten Emission beteiligt ist (Laser). Da ein Laser nur betrieben werden kann, wenn sich eine ausreichende Besetzungsinversion herstellen läßt, ist die Existenz eines geeigneten Laserniveauschemas Voraussetzung dafür, daß ein bestimmtes Material als Lasermedium verwendet werden kann. Generell wird sich in einem Teilchenensemble eine thermische Verteilung einstellen, d.h. in einem energetisch tiefer gelegenen Zustand befinden sich immer mehr Teilchen als in jedem der höher gelegenen Niveaus. Von einer Besetzungsinversion spricht man, wenn zumindest ein höhergelegener Zustand stärker besetzt ist als ein tiefergelegener. Der Übergang des Teilchens von einem zum anderen Niveau kann sowohl durch Absorption oder Emission von Photonen als auch durch Stöße mit anderen Teilchen geschehen.

Das einfachste Niveauschema eines Teilchens besteht aus einem System mit zwei Energieniveaus: einem unteren Niveau

, im allgemeinen der nicht-angeregte Grundzustand des Teilchens, und einem energetisch angeregten oberen Niveau

, dessen Energie E2 größer ist als die des unteren E1. Ein Laser läßt sich mit diesem Zwei-Niveau-Schema allerdings nicht realisieren, da in diesem System keine Besetzungsinversion zu erzielen ist.

Das einfachste verwendbare Laserniveauschema ist das ›Zwei‹-Niveau-Schema. Hier sind in den Atomen (oder Molekülen) des Lasermediums der Grundzustand

, ein oberes Niveau

und ein dazwischenliegendes Niveau

an der Herstellung der Besetzungsinversion beteiligt, mit

. Durch einen geeigneten Pumpmechanismus werden die Atome zuerst aus dem Grundzustand

nach

angehoben; durch einen optischen oder strahlungslosen Übergang gelangen diese Teilchen dann mit der Zerfallsrate r32 in den Zustand

. Der eigentliche Laserübergang, d.h. der Übergang, bei dem es zur induzierten Emission von Laserphotonen kommt, liegt zwischen diesem Niveau

und dem Grundzustand

. Dieses Niveauschema eignet sich nur für Pulslaser, weil eine Besetzungsinversion zwischen

und

nur möglich ist, wenn mehr als die Hälfte aller Teilchen gleichzeitig aus dem Grundzustand angeregt werden können.

Das Drei-Niveau-Schema ist dem ›Zwei‹-Niveau-Schema sehr ähnlich, jedoch findet hier der Laserübergang zwischen den beiden angeregten Niveaus

und

statt, so daß lediglich das obere Niveau

ausreichend schnell gefüllt und das untere Niveau

ausreichend schnell geleert werden muß und eine Besetzungsinversion auch bei wesentlich geringeren Anregungsraten erreicht werden kann. Es ist jedoch oft schwierig, ein geeignetes Niveau

zu finden, das schnell genug aus dem Grundzustand zu bevölkern ist, jedoch gleichzeitig eine so geringe Zerfallsrate hat, daß der Übergang primär durch induzierte Emission erfolgen kann. Im Helium-Neon-Laser wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Bevölkerung des oberen Niveaus

des Neons weniger durch direkte Anregung des Neons selber geschieht, sondern vor allem durch eine Anregung des Heliums, das selber nicht an der Laseremission beteiligt ist, aber in Stößen zweiter Art seine Energie sehr effizient an das Neon abgibt und so die Besetzungsinversion herstellt.

In einem Vier-Niveau-Schema ist es durch einen weiteren, sehr kurzlebigen Zustand

möglich, für das obere Niveau

des Laserübergangs einen langlebigen, z.B. einen metastabilen, Zustand zu wählen und diesen durch Zerfall aus dem energetisch höheren, ebenfalls kurzlebigen Niveau

effizient zu bevölkern. Sind die Zerfallsraten r23 (in das obere Laserniveau) und r41 (aus dem unteren Laserniveau in den Grundzustand) wesentlich größer als die Rate r34 des spontanen Zerfalls des Laserübergangs, dann läßt sich die Besetzungsinversion leicht erzeugen und aufrechterhalten. (Diodenlaser, Farbstofflaser)



Niveauschema: a) Zwei-Niveau-Schema, b) ›Zwei‹-Niveau-Schema, c) Drei-Niveau-Schema, d) Vier-Niveau-Schema.

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Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
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Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
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Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
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Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
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Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
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