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arum ist „Bevölkerungsinversion“ der Zauberschlüssel zu Lasern?
In der Physik, insbesondere in der statistischen Mechanik, ist Besetzungsinversion ein Zustand, in dem sich in einem System mehr Atome oder Moleküle in einem Zustand höherer Energie befinden als in einem Zustand niedrigerer Energie. Dieses Konzept ist in der Laserwissenschaft von entscheidender Bedeutung, da die Erzeugung einer Besetzungsinversion ein notwendiger Schritt für die Standardarbeit mit Lasern ist.
Das Konzept der Besetzungsinversion beinhaltet die Wechselwirkung von Licht und Materie, die mit dem Funktionsprinzip von Lasern zusammenhängt. Ohne einen Mechanismus, der das System in einen Besetzungsinversionszustand versetzen kann, ist keine Laserenergieerzeugung möglich.
Wärmegleichgewicht und Boltzmann-Verteilung
Um das Konzept der Besetzungsinversion zu verstehen, müssen Sie zunächst ein wenig über Thermodynamik und die Wechselwirkung von Licht mit Materie wissen. Angenommen, es gibt eine Gruppe von N Atomen. Jedes Atom kann in zwei Energiezuständen existieren: dem Grundzustand E1 und dem angeregten Zustand E2. Wenn sich diese Atome im thermischen Gleichgewicht befinden, wird das Verhältnis der Anzahl der Atome im Grundzustand und im angeregten Zustand durch den Boltzmann-Faktor gemäß der Maxwell-Boltzmann-Statistik bestimmt.
Wenn sich ein System im thermischen Gleichgewicht befindet, sind daher die Zustände niedriger Energie stärker besetzt als die Zustände hoher Energie, was dem Normalzustand des Systems entspricht.
Mit zunehmender T erhöht sich die Anzahl der Atome im Hochenergiezustand (N2), aber N2 wird nie N1 überschreiten. Um eine Besetzungsumkehr zu erreichen, muss das System in einen Nichtgleichgewichtszustand gebracht werden, der der Schlüssel zum Laserbetrieb ist.
Wechselwirkung von Licht und Materie
Die Wechselwirkung von Licht mit Atomsystemen kann in drei Hauptarten unterteilt werden: Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission.
Absorption
Wenn Licht mit einer Frequenz von ν12 durch eine Gruppe von Atomen hindurchgeht, kann es von Elektronen im Grundzustand absorbiert werden und diese dadurch in einen Zustand hoher Energie anregen. Die Absorptionsrate ist proportional zur Strahlungsdichte des Lichts und hängt mit der Anzahl der Atome im Grundzustand (N1) zusammen.
Spontane Emission
Ein Atom in einem angeregten Zustand kehrt spontan in seinen Grundzustand zurück und gibt dabei ein Photon frei. Die spontane Emission erfolgt zufällig und weist keine feste Phasenbeziehung auf, ihre Emission ist also inkohärent.
Stimulierte Strahlungsemission
Wenn ein einfallendes Photon ein angeregtes Atom dazu bringt, seine Energie abzugeben und ein Photon mit einer Frequenz von ν21 auszusenden, wird der Vorgang als stimulierte Emission bezeichnet. Was hier passiert, ist, dass die Photonen interagieren, sodass die angeregten Atome Photonen mit der gleichen Frequenz und Phase wie die einfallenden Photonen erzeugen. Dies ist der Schlüssel zur Laserverstärkung.
Wenn die Population der Zustände höherer Energie größer ist als die der Zustände niedrigerer Energie, das heißt N2>N1, wird eine Nettoverstärkung der Strahlung erreicht.
Der Prozess der Entstehung einer Populationsumkehr
Eine Möglichkeit, eine Besetzungsumkehr zu erreichen, besteht in der Verwendung einer indirekten Methode, bei der Atome vom Grundzustand in einen angeregten Zustand überführt werden. Ein Beispiel ist ein Drei-Niveau-Lasersystem. In diesem System können Atome in drei Energiezuständen existieren. Wenn die hochenergetische Atomenergie schnell auf ein mittleres Energieniveau abfällt und eine Population mit relativ niedriger Energie erreicht wird, führt dies zur Bildung eines kombinierten Zustands.
Vier-Niveau-Laser
Bei einem Vierniveaulaser werden die Energieniveaus sinnvoller eingestellt, sodass Atome in kurzer Zeit eine große Anzahl von Grundzustandspopulationen entfernen können, wodurch der entsprechende Laserverstärkungseffekt erzielt wird. Dadurch sind Vierniveaulaser effizienter als Dreiniveaulaser und in der Praxis häufiger anzutreffen.
Die Entwicklung der Lasertechnologie hat es ihr ermöglicht, in Bereichen wie Wissenschaft, Medizin und Kommunikation eine unersetzliche Rolle zu spielen, und zwar dank des Mechanismus der Besetzungsinversion.
Wie werden sich Lasersysteme im Zuge des technologischen Fortschritts in Zukunft weiterentwickeln und weiterhin die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft fördern?
