Sprunghafte Elektronen

Bei der spontanen Emission fallen die Elektronen unvorhersehbar ins tiefere Energieniveau.

In einem Laser geht es dagegen extrem geordnet zu. Er strahlt Licht in einer sehr reinen Farbe ab, das er auch kräftig verstärkt. Dazu füttert er es ständig mit neuen Energiepaketen, mit Photonen in der exakt passenden Lichtfarbe. Dieser Verstärkungsmechanismus benutzt nur eine einzige Atomsorte. In diesen Atomen trägt wiederum ein einziger Quantensprung zwischen zwei ausgewählten Energiesprossen zur Verstärkung bei. Das ist der Laserübergang. Zudem emittieren diese Atome ihre Lichtquanten auch noch im präzisen Gleichtakt mit der Lichtwelle, die im Laser entsteht. Deshalb besteht Laserlicht aus sehr langen Lichtwellenzügen, wie eine lang und gleichmäßig laufende Meeresdünung. Das Licht einer Glühbirne erinnert dagegen eher an die kabbelige Wasseroberfläche eines Schwimmbeckens, in dem viele Badende herumtoben.

Laser brauchen die induzierte Emission, bei der ein vorbei fliegendes Photon 1 in einem Atom gezielt ein Elektron ins tiefere Energieniveau "schüttelt". Das dabei frei gesetzte Photon 2 schwingt im Gleichtakt mit Photon 1.

Für die Verstärkung im Gleichtakt der Lichtwelle sorgt ein besonderer Effekt. Diese induzierte Emission beschrieb Albert Einstein 1917 zum ersten Mal, kurz nach seinem Brief an Emile Besso. Er hatte erkannt, dass Atome nicht nur spontan Lichtquanten abstrahlen können. Wenn ein Photon an einem Atom vorbei fliegt, kann es dieses auch gezielt zur Lichtemission anregen, indem es ein Elektron von einer höheren Bahn sozusagen herunter schüttelt, wie einen Apfel von einem Baum. Das Atom strahlt dabei ein Photon mit exakt der gleichen Energie – also Farbe – ab.

Dieses neue Energiepaket schwingt sich sauber in den Rhythmus der Lichtwelle im Laser ein. Dadurch vergrößert sich Amplitude dieser Welle. Damit diese Lichtverstärkung funktioniert, müssen die Atome allerdings noch zwei Voraussetzungen erfüllen: Erstens müssen sich in ihnen auch Elektronen auf der höheren Sprosse des Laserübergangs befinden, und zweitens muss einer der atomaren Quantenübergänge genau der Energie der vorbeikommenden Photonen entsprechen. Im Laser passt das alles zusammen.