Wie funktionieren Laserkristalle?

2023-08-16

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Laserkristalle sind das Herzstück von Lasersystemen und ermöglichen die Erzeugung und Verstärkung kohärenten Lichts. Um zu verstehen, wie Laserkristalle funktionieren, ist ein genauerer Blick auf die zugrunde liegenden Prinzipien der stimulierten Emission und des Laservorgangs erforderlich.

1. Stimulierte Emission:

Laserkristalle bestehen typischerweise aus Festkörpermaterialien wie Rubin (mit Chrom dotiertes Aluminiumoxid) oder Nd:YAG (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat). Diese Kristalle enthalten Dotierstoffionen (z. B. Chrom oder Neodym), deren Energieniveaus innerhalb des Kristallgitters liegen.

Wenn der Laserkristall durch eine externe Energiequelle, beispielsweise eine Blitzlampe oder einen anderen Laser, angeregt wird, absorbieren die Dotierstoffionen Energie und gehen in höhere Energieniveaus über. Dieser Vorgang wird als Absorption bezeichnet. Die angeregten Ionen entspannen sich dann durch spontane Emission wieder auf niedrigere Energieniveaus und setzen dabei Photonen in zufälligen Richtungen und Phasen frei.

In einem Laserkristall kann jedoch ein Phänomen auftreten, das als stimulierte Emission bezeichnet wird. Wenn ein Photon mit einer bestimmten Energie (entsprechend der Energiedifferenz zwischen dem angeregten und dem niedrigeren Energieniveau) in der Nähe eines angeregten Ions vorbeikommt, kann es das Ion dazu anregen, ein zweites Photon freizusetzen, das in Energie, Richtung, Phase und Polarisation identisch ist. Dieser Prozess erzeugt einen Kaskadeneffekt, da die emittierten Photonen wiederum andere angeregte Ionen dazu anregen können, mehr Photonen zu emittieren, was zu einer Lichtverstärkung führt.

2. Optischer Resonator:

Um eine Laserwirkung zu erzielen, wird der Laserkristall in einem optischen Resonator platziert, der aus zwei Spiegeln besteht, die einen Hohlraum bilden. Ein Spiegel ist teilweise reflektierend und lässt einen Teil des emittierten Lichts entweichen, während der andere Spiegel stark reflektierend ist und das Licht zurück in den Kristall reflektiert.

Der optische Resonator spielt eine entscheidende Rolle beim Laserbetrieb. Es liefert Feedback, um den Verstärkungsprozess aufrechtzuerhalten, indem es die Photonen zurück in den Kristall reflektiert, was eine weitere Emission und Verstärkung anregt. Die Länge des Resonators bestimmt die spezifischen Wellenlängen des Lichts, die vom Laserkristall verstärkt und emittiert werden.

3. Pumpmechanismus:

Laserkristalle erfordern eine externe Energiequelle, um die Dotierstoffionen anzuregen und den Laserprozess einzuleiten. Diese Energiequelle wird als Pumpe bezeichnet. Die Pumpe kann je nach Kristallmaterial und Anwendung in Form von Blitzlampen, Diodenlasern oder anderen Lasern vorliegen.

Die Pumpe regt die Dotierstoffionen im Laserkristall an und hebt sie auf höhere Energieniveaus. Während sich die Ionen durch stimulierte Emission auf ihr niedrigeres Energieniveau entspannen, emittieren sie Photonen, die durch den optischen Resonator im Kristall verstärkt werden. Dieser Verstärkungsprozess wird fortgesetzt, bis eine ausreichende Anzahl von Photonen im Resonator vorhanden ist, um einen kohärenten und intensiven Laserstrahl zu bilden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Laserkristalle nach den Prinzipien der stimulierten Emission und optischer Resonatoren funktionieren. Die Dotierstoffionen im Kristall absorbieren Energie von einer externen Pumpquelle, gehen auf höhere Energieniveaus über und emittieren dann Photonen durch stimulierte Emission. Diese Photonen werden im Kristall durch den optischen Resonator verstärkt, was zur Erzeugung eines kohärenten und fokussierten Laserstrahls führt.