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spricht man von Besetzungsinversion. Um diese zu erreichen, kann man zum Beispiel Licht geeigneter Wellenlänge einstrahlen (Optisches Pumpen). Der nahe liegende Ansatz, Photonen der Energiedifferenz E

M −

E

L einzustrahlen, schlägt aber fehl, weil so auch direkt eine Emission stimuliert würde und die Wahrscheinlichkeiten von Emission und Absorption in einem Zweiniveausystem gleich sind. Stattdessen verwendet man zum Beispiel ein Medium mit einem Dreiniveausystem, bei dem zunächst auf ein drittes, höher gelegenes Energieniveau E

P gepumpt wird. Von dort erfolgt strahlungslos oder per spontaner Emission ein Übergang auf das Niveau E

M . Der Trick besteht nun darin, die Energieniveaus so zu wählen, dass ein spontaner Übergang von E

P zu E

M sehr viel schneller erfolgt (das heißt, sehr viel wahrscheinlicher ist), als ein Übergang von

E

M auf E

L und der direkte Übergang von E

P nach E

L sehr unwahrscheinlich ist. In diesem Falle wird durch das Pumpen die Zahl der Teilchen im Zustand E

M stetig erhöht. Je nach aktivem Medium gibt es aber auch Zweiniveaulaser im kontinuierlichen Betrieb (zum Beispiel die elektrisch gepumpten Diodenlaser) und Vierniveaulaser, bei denen das Niveau E

L auf ein noch tieferes Niveau abgeregt werden muss, um erneut gepumpt werden zu können (z. B. Kohlendioxidlaser).

Didaktisches Modell des Lasers

Zwei tiefgründige Schlussfolgerungen aus experimentellen Beobachtungen sind der Schlüssel für die Existenz von Lasern:

Beispiel für Emissionslinien

Die Auswahlregeln der Quantenmechanik, die aus der Existenz von so genannten verbotenen Übergängen erschlossen wurden. Das sind unscheinbare, lichtschwache Spektrallinien mancher Elemente, die unter normalen Laborbedingungen kaum messbar sind. Man kann sie beispielsweise im Polarlicht entdecken, weil in einigen 100 km Höhe die Sauerstoffatome ungestört die

Wartezeit der verbotenen Übergänge abwarten können. Man kann Laser nur mit Atomen oder Molekülen bauen, die verbotene Übergänge besitzen.

Die stimulierte Emission von Licht – das Gegenteil zur spontanen Emission – wurde von Einstein vorhergesagt, weil er sich ohne diesen von ihm erstmals behaupteten Effekt gewisse Eigenschaften der Lichtstrahlung nicht erklären konnte.

Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe. Obere Darstellung mit einem 256-Pixel-Zeilensensor. Untere Aufnahme mit einer Kamera

Nachdem einem Atom beispielsweise durch Optisches Pumpen ausreichend Energie zugeführt und deshalb ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gehoben wurde, fällt dieses normalerweise nach sehr kurzer Verweildauer (weniger als 1 µs) unter Aussendung eines Photons wieder auf ein tieferes Energieniveau zurück. Eine Voraussetzung ist, dass bei diesem Vorgang der gesamte Drehimpuls (Spin) erhalten bleibt. Da das Photon den Spin 1 „davonträgt“, muss sich der gesamte Drehimpuls des Atoms um genau eine Einheit ändern. Ist das nicht möglich, weil sich der Drehimpuls aus anderen Gründen (wie Zusammenstoß mit einem anderen Atom oder interne Umlagerung eines anderen Elektrons) geändert hat, ist der Sprung des Elektrons auf das tiefere Energieniveau nicht möglich – das bezeichnet man als Verbotener Übergang. Dadurch wird die Verweildauer des Elektrons im hohen Energieniveau auf ein Vielfaches verlängert, mitunter auf einige Sekunden. Man spricht von einem metastabilen Zustand.