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(z. B. Glimmentladung, Hohlkathode, Mikrowellen) in das Medium eingebracht werden.

Optische Verstärkung durch stimulierte Emission von dem Zustand '2', dessen Besetzung invertiert ist

Wird die Anregungsquelle (z. B. optisches Pumpen, Gasentladung) abgeschaltet, dann wird die thermische Überbesetzung des invertierten elektronischen Zustands durch Emission und Stöße mit anderen Atomen oder Molekülen abgebaut. Das lokale thermische Gleichgewicht wird erreicht, wenn angeregte elektronische Zustände, Ionisationsgrad und die kinetische Bewegungsenergie der Atome/Moleküle entsprechend der Boltzmann-Statistik verteilt sind. Voraussetzung ist eine hohe Teilchendichte, um eine hohe Stoßrate und somit Energieaustausch zu erzielen.

Laser

Ein Laser stellt eine Anordnung dar, einen Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Photonen sich durch gleiche Frequenz, Phase und Schwingungsrichtung (kohärente Strahlung) auszeichnen. Die nutzbare Strahlung wird dem Strahlungsfeld in einem Resonator ausgekoppelt.

Die Voraussetzung für den Betrieb eines Lasers ist die Verstärkung eines Strahls durch stimulierte Emission. Dazu muss das Besetzungsverhältnis der beiden Zustände 1 und 2 invertiert sein. Dies kann stationär nur

erreicht werden, wenn der untere Zustand 1 schnell relaxiert und die Lebensdauer kürzer ist als die durch spontane Emission bestimmte Lebensdauer des oberen Zustands. Der untere Zustand muss schnell entleert werden, damit die Besetzungsinversion erhalten bleibt. Dagegen muss der obere Zustand 2 langlebig sein, damit die Besetzung nicht durch spontane Emission soweit reduziert wird, dass keine ausreichende Rate der stimulierten Emission auftritt.

Im detaillierten Gleichgewicht stehen die Strahlungsprozesse im Gleichgewicht:

spontane Emission + stimulierte Emission = Absorption

A

21 : Einsteinkoeffizient für spontante Emission

B

12 : Einsteinkoeffizient für Absorption

B

21 : Einsteinkoeffizient für stimulierte Emission

u

ν : Energiedichte des Strahlungsfeldes

Die Einsteinkoeffizienten stellen Übergangswahrscheinlichkeiten dar. Der Koeffizient für stimulierte Emission steht mit dem für Absorption in Zusammenhang:

B

21 =( g

1 / g

2 ) B

12 .

Das detaillierte Gleichgewicht gilt im Nichtgleichgewichtszustand nur mikroskopisch; die Strahlungsdichte nimmt über die Weglänge zu. In einem Laser wird Strahlung der Laserwellenlänge optisch verstärkt. Die Besetzungsinversion ist eine notwendige aber nicht hinreichende Voraussetzung für den Betrieb eines Lasers.