Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
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Aktives Medium

Die Laserlichterzeugung findet im aktiven Medium eines Lasers statt. Energie wird in geeigneter Form von außen in das aktive Medium gepumpt und zum Teil in Strahlungsenergie umgewandelt. Die in das aktive Medium gepumpte Energie besitzt in der Regel eine relativ hohe Entropie, das heißt geringe Ordnung, während die resultierende Laserstrahlung einen hohen Ordnungszustand aufweist und damit eine relativ geringe Entropie besitzt. In einem Laser wird also hochentropische Energie in niederentropische Energie umgewandelt. Es gibt aktive Lasermedien in allen Aggregatzuständen:

  • fest (kristallin oder amorph)
  • flüssig
  • gasförmig bzw. Plasmazustand

Die Form der Energieeinkopplung wird wesentlich vom Aggregatzustand bestimmt. Viele gasförmige Lasermedien werden z.B. mit Hilfe einer Gasentladung angeregt. Hierbei wird elektrische Energie auf freie Elektronen übertragen, die ihre Energie durch Stöße mit Atomen bzw. Molekülen abgeben. Festkörper- und Flüssigkeitslaser können nur optisch gepumpt werden, Strahlung einer  Lampe/Gasentladungslampe oder eines anderen Lasers wird im aktiven Medium absorbiert und die Energie bei einer längeren Wellenlänge wieder emittiert.

Atome bzw. Moleküle liegen normalerweise im sogenannten Grundzustand vor. Der Grundzustand ist ein stabiler Zustand minimaler Energie. Atome im Grundzustand können keine Energie abgeben. Atome besitzen weitere Zustände, deren Energie größer als die des Grundzustands ist und in die die Atome durch Energiezufuhr übergehen können. Die Energie kann von anderen Teilchen, insbesondere freien Elektronen, oder von Lichtquanten (Photonen) stammen. Aus einem angeregten Zustand können die Atome unter Energieabgabe wieder in energetisch tiefer liegende Zustände übergehen, z.B. in den stabilen Grundzustand. Die Überschussenergie kann an ein anderes Teilchen, z.B. ein Elektron oder ein anderes Atom, oder in Form eines Photons abgegeben werden, das dann emittiert wird. Die Energie des Photons ist gleich der Energiedifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Niveau. Die Strahlungsabregung kann spontan oder durch andere Photonen stimuliert erfolgen. Die stimulierte Emission ist eine Grundvoraussetzung für Lasertätigkeit.

Die Energie eines Lichtquants (Photons) ist gleich dem Produkt aus dem Planckschem Wirkungsquantum und der Lichtfrequenz. Die Lichtfrequenz ist umgekehrt proportional zur Lichtwellenlänge. So entspricht das infrarote Licht eines CO2-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 µm einer Energie von 0,117 eV und das ultraviolette Licht eines ArF-Excimerlasers bei 193 nm einer Energie von 6,42 eV.

Atome können nicht beliebige Energiewerte aufnehmen bzw. abgeben. Das Energiespektrum besteht in der Regel aus einem diskreten und einem kontinuierlichen Teil. Vom Grundzustand ausgehend existieren zunächst diskrete Energieniveaus, deren Abstände mit zunehmender Energie immer kleiner werden, bis sie in ein Kontinuum übergehen. Kontinuierliche Strahlung wird z.B. bei der Rekombination eines Elektrons mit einem positiven Ion emittiert. Die emittierte Wellenlänge hängt dann nicht nur von der Energie des atomaren Niveaus ab, in das das Elektron eingefangen wird, sondern auch von der kinetischen Energie des Elektrons vor der Rekombination und diese kann beliebige Werte annehmen. Kontinuierliche Spektren können aber auch durch Überlappung vieler diskreter Niveaus mit endlicher Energieunschärfe entstehen. Dies ist zum Beispiel in Festkörpern und insbesondere Flüssigkeiten der Fall.