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Das Drei-Niveau-Atom

Eine effektive Konfiguration zur Realisierung eines Lasers besteht darin, nicht nur zwei Niveaus (das Niveau des Laserübergangs) eines Atoms zu verwenden, sondern eine Drei-Niveau-Konfiguration, um die sogenannte Populationsinversion im höheren Niveau zu erreichen, von dem aus die Anregung durch die einfallende Welle die Atome gleichzeitig zur Emission bringt.

Um die Populationsinversion zu erreichen, müssen wir das Elektron vom Niveau 1 auf das Niveau 2 pumpen, und zwar durch eine elektromagnetische Welle mit der richtigen Frequenz, die den Atomen die Energie gibt, auf das höhere Niveau zu springen.
Wenn wir nur zwei Niveaus haben, pumpt die elektromagnetische Welle die Elektronen vom unteren Niveau auf das höhere Niveau mit der gleichen Rate, mit der die Welle die Emission vom Niveau 2 zum Niveau 1 stimuliert. Wir müssen das Elektron im höheren Niveau „festhalten“.

Mit drei Niveaus eines Atoms können wir das Elektron auf ein hohes Niveau (Niveau 3) pumpen. Das Elektron fällt schnell auf ein Zwischen-Niveau (Niveau 2) und bleibt dort, bis eine Welle mit der richtigen Frequenz den Übergang auf Niveau 1 stimuliert.

Dieses Verfahren benötigt zwei verschiedene anregende Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen. Die erste (Pumpstrahlung) hat die Frequenz , während die zweite (anregende Strahlung) die Frequenz besitzt.

Das Gerät wird durch die Populationsinversion, die durch die Pumpwelle verursacht wird, in einen „Bereitschaftszustand“ versetzt. Wenn wir die Laseremission benötigen, lassen wir die anregende Welle durch das Material laufen und die Elektronen im zweiten Niveau fallen gleichzeitig ab, was eine starke Strahlungsemission erzeugt.
Um die anregende einfallende Welle im Lasergerät vollständig zu nutzen, befindet sich das aktive Material zwischen Spiegeln.

Diese Spiegel bilden einen Resonanzraum, der die Strahlungsemission verstärkt.

Neben aktiven Materialien wie Rubin werden in der modernen Technologie auch Diodenlaser verwendet.