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Laser

Optisches Pumpen und Energieinversion

Abb.1
Energieschema mit Besetzungsinversion

Der angeregte Zustand ist stärker besetzt als der Grundzustand.

Ob ein Lasermedium ein Lichtfeld eher absorbiert oder emittiert, hängt von der Besetzungszahldifferenz Δ n zwischen Grund- und angeregtem Zustand ab. Es gilt mit der Besetzungszahl des Grundzustandes n 0 und mit der Besetzungszahl des angeregten Zustandes n * für die Besetzungszahldifferenz Δ n = n * n 0 :

Δ n > 0
Verstärkung der Lichtfelder
Δ n < 0
Absorption der Lichtfelder
n * n 0 = e h ν / k T < 1

Im thermischen Gleichgewicht ergibt sich wegen Gleichung stets eine negative Besetzungszahldifferenz Δ n . Ein positives Δ n entspricht formal einer negativen Temperatur T. Dies deutet darauf hin, dass verstärkende Medien einen Nichtgleichgewichtscharakter haben, der durch Energiezufuhr ("Pumpen") erreicht werden kann. Die Energie wird durch Absorption von Licht, Elektronenstöße, Stöße von angeregten Atomen in einer Entladung, chemische Pumpprozesse oder durch andere Mechanismen zugeführt.

Abb.2
Energieschema des Vier-Niveau-Lasers

Energieschema des Pumpprozesses in einem Lasersystem mit vier Zuständen

Um die Inversionsbedingung für den Laserbetrieb durch Pumpen zu erfüllen, wird mindestens ein Hilfszustand benötigt. Häufig werden Systeme mit vier Energiezuständen ( E3 > E2 > E1 > E0 ) eingesetzt, wie in der Abbildung gezeigt. Dabei wird vorausgesetzt, dass das Energieniveau E3 metastabil, d.h. seine Lebensdauer groß ist gegenüber der Lebensdauer anderer Niveaus.

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