Pyramide auf den Kopf gestellt

Normalerweise ist das untere Energieniveau stärker mit Elektronen (blaue Kugeln) besetzt als das obere. Die Besetzungsinversion stellt diese Pyramide auf den Kopf. Im Laser schafft sie die Voraussetzung für Lichtverstärkung über induzierte Emission.

Die letzte Zutat ist das richtige Lasermedium, das die passenden Atomsorte mit dem Quantensprung in der gewünschten Lichtfarbe enthält. Es braucht aber noch eine weitere wichtige Eigenschaft: Die Elektronen müssen lange genug auf der oberen Energiesprosse seines Laserübergangs verweilen. Sie dürfen nicht zu anfällig für die spontane Emission sein, die sich leider nicht völlig ausschalten lässt. Die spontane Emission sabotiert die koordinierte Lichtverstärkung, denn sie lässt die Elektronen außerhalb des Gleichtakts ins niedrigere Energieniveau fallen. Zudem muss das Pumpen die untere Energiesprosse schnell genug leeren können. Nur wenn die Elektronen in diesem Quantenzustand genug Platz finden, können sie ungehindert dort hinein springen.

Hat das Lasermedium diese Eigenschaften, dann kann das Pumpen in ihm den richtigen Betriebszustand herstellen, die Besetzungsinversion. Normalerweise verteilen sich die Elektronen über die Energieniveaus der Atome wie in einer Pyramide: Die unteren Sprossen der Energieleiter sind stark mit Elektronen bevölkert, die oberen immer dünner. Die Natur spart offenbar gerne Energie. Im Laser muss das Pumpen diese Besetzungspyramide nun auf den Kopf stellen: Im oberen Energieniveau des Laserübergangs müssen sich mehr Elektronen als im unteren sammeln. Erst dann finden die vorbeikommenden Photonen genügend Elektronen zum Herunterschütteln.

Die Konstruktion eines Lasers wird umso anspruchsvoller, je kürzer die Wellenlänge seines Lichts sein soll. Mit schrumpfender Wellenlänge wächst nämlich die Energie der Photonen und damit auch der Quantensprung im Laserübergang. Je höher die obere Sprosse im Vergleich zur unteren ist, desto anfälliger reagieren die Elektronen dort auf die sabotierende spontane Emission. Mehr von ihnen fallen außerhalb des Gleichtakts mit dem Lichtfeld herunter, weniger im Rhythmus der induzierten Emission. Die frühen Laser leuchteten aus diesem Grund im langwelligen roten oder infraroten Spektralbereich. Als der Japaner Shuji Nakamura 1995 die erste blau leuchtende Laserdiode vorstellte, war das eine Sensation. Noch viel kurzwelliger ist der Röntgenlaser, an dessen Entwicklung Physiker noch arbeiten (http:xfelinfo.desy.de/de/projekt/2/index.html).

Es gibt auch Laser, die alle traditionellen Regeln brechen. Sie strahlen keine langen Lichtwellenzüge in einer reinen Farbe ab, sondern produzieren extrem kurze Pulse. Diese blitzen nur für wenige Femtosekunden oder gar Attosekunden auf. Eine Femtosekunde ist der Billiardstel Teil einer Sekunde, und eine Attosekunde ist nur ein Tausendstel dieser schon unvorstellbar kurzen Zeitspanne. Den Kurzpuls-Rekord hält derzeit mit 250 Attosekunden ein Team von Ferenc Krausz am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Krausz will mit solch kurzen Blitzen das Verhalten der Elektronen in Atomen oder Molekülen ablichten. Das wäre ein wichtiger Schritt zum Verständnis chemischer Reaktionen.