Grundlagen der Lichtverstärkung und Laserresonatoren

1.3 Verstärkung von Licht

Alle Laser enthalten eine Substanz, welche die Intensität des Lichts, das durch sie hindurchgeht, erhöhen kann.

Diese Substanz wird als aktives Medium bezeichnet und kann als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas vorliegen. Die Art und Weise, in der das aktive Medium die Intensität steigert, wird später im Detail erläutert. Für den Moment nehmen wir an, dass die Lichtverstärkung möglich ist.

In einem YAG-Laser (Nd:YAG) ist das aktive Medium ein Yttrium-Aluminium-Granat-Stab (YAG) mit Neodym-Ionen.

Der Faktor, um den die Lichtintensität im aktiven Medium ansteigt, wird als Gewinn (Gain) bezeichnet. Der Gewinn ist für eine bestimmte Art des Mediums nicht konstant; er hängt von folgenden Faktoren ab:

• der Wellenlänge des Lichts,
• der Länge des aktiven Mediums,
• dem Umfang, in dem das aktive Medium angeregt (gepumpt) wird.

Der Laserresonator

Der Raum zwischen den Spiegeln ist als Laserresonator bekannt. Der Strahl bewegt sich in der Kavität durch mehrfache Spiegelungen zwischen den Spiegeln hin und her und wird jedes Mal verstärkt, wenn er das aktive Medium durchläuft. Einer der Spiegel reflektiert fast das gesamte Licht, das auf ihn trifft (Totalreflektor).

Der andere Spiegel reflektiert je nach Lasertyp zwischen 20 % und 98 % des einfallenden Lichts. Das Licht, das nicht reflektiert wird, wird durch den Spiegel transmittiert; dieser transmittierte Teil bildet den eigentlichen Laserstrahl (Laser Beam).

Der Laserresonator hat viele wichtige Funktionen. Nach dem Pumpvorgang initiiert die spontane Emission von Licht aus angeregten Atomen im aktiven Medium die Emission von Licht geringer Intensität innerhalb des Laserresonators.

Diese Lichtintensität wird jedes Mal erhöht, wenn das Licht durch das aktive Medium fließt, sodass es sich schnell in einen intensiven Strahl verwandelt. Ohne Spiegel würde dieser Prozess der Selbstanregung oder Oszillation nicht eintreten.

Strahldivergenz und spektrale Reinheit

Der Resonator sorgt dafür, dass die Strahldivergenz gering bleibt. Nur Licht, das sich nahezu parallel zur Achse des Resonators bewegt, kann mehrfache Reflexionen an den Spiegeln erfahren und das aktive Medium mehrmals durchlaufen. Stärker divergierende Strahlen beschreiben einen Zick-Zack-Pfad in der Kavität und verlassen diese vorzeitig.

Der Laserresonator verbessert auch die spektrale Reinheit des Laserstrahls. Generell verstärkt das aktive Medium Licht in einem engen Wellenlängenbereich, aber innerhalb dieses Bereichs kann nur Licht bestimmter Wellenlängen durch mehrfache Reflexionen im Inneren des Resonators bestehen bleiben.

Absorption und Emission

Übergang und Quantensprung

Ein Elektron absorbiert ein Photon, vollzieht einen Übergang (Quantensprung) und kehrt in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde wieder in seinen Grundzustand zurück, wobei es erneut ein Photon emittiert.