Pingpong mit Quanten

Ein Gaslaser besteht aus einer modifizierten "Leuchtstoffröhre", in der die Gasentladung das Lasermedium pumpt.

Einsteins Entdeckung hatte lange keine praktischen Folgen. Erst in den 1950er-Jahren erkannten einige Physiker, dass sie die induzierte Emission ganz gezielt zur Verstärkung von elektromagnetischen Wellen nutzen können. Die weitere wichtige Zutat zum Laser ist der optische Resonator. Ihn formen zwei Spiegel, zwischen denen die Quanten des Laserlichts wie Pingpong-Bälle hin und her laufen. Es gibt auch Laser mit noch mehr Resonatorspiegeln. Einer der Spiegel muss teilweise lichtdurchlässig sein. Durch ihn entwischt ein kleiner Anteil der Photonen und formt den Laserstrahl.

Durch dieses gewollte Leck würde der Laser allerdings sofort seine Energie verlieren, besäße er keinen Lichtverstärker. Dieser Verstärker steckt im Lasermedium. Es befindet sich im Resonator und enthält genau die Atome, die im Laserübergang leuchten sollen. Wenn die Photonen beim Spiegel-Pingpong immer wieder das Lasermedium durchqueren, „schütteln“ sie die Elektronen dieser Atome herunter; sie fallen in Lawinen den Laserübergang hinunter. Über die so stimulierte Emission schicken sie zusätzliche Photonen ins Pingpong-Spiel und das Lichtfeld im Resonator schwillt an.

Damit der Laser funktioniert, braucht er noch eine Zutat. Bis jetzt würden die Photonen nämlich das obere Energieniveau des Lasermediums entleeren, und dann wäre erst einmal Schluss. Der Laser braucht also noch eine „Pumpe“, die die Elektronen wieder ins obere Niveau des Laserübergangs schafft. Sie muss sozusagen das Fallobst wieder in den Baum hängen. Erst das permanente Pumpen stellt sicher, dass der Laser immer genug Elektronen für eine nennenswerte Lichtverstärkung zur Verfügung hat. Es versorgt den Laser auch mit frischer Energie, denn das ist klar: Wer die Äpfel wieder hoch hängt, leistet Arbeit.

Manche Laser strahlen in Pulsen, andere kontinuierlich. Zur ersten Kategorie gehört Maimans Rubinlaser, dessen Pumpe das Blitzlicht der Gasentladungslampe war. Neben diesen „optisch gepumpten“ Lasern gibt es auch solche, in denen ein elektrischer Strom den Laserprozess pumpt. Dazu zählen Gaslaser wie der weit verbreitete Helium-Neon-Laser. In seinem Lasermedium erzeugen Elektroden leuchtende Gasentladungen, wie in einer Neonröhre. Auch Laserdioden werden elektrisch gepumpt, wie sie zum Beispiel in allen DVD- oder CD-Geräten stecken.