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Funktion

Energieniveau-Schema eines CO

2 -Lasers mit relevanten Freiheitsgraden der Moleküle.

Die N

2 -Moleküle werden im Resonator durch eine Gasentladung angeregt. Die N

2 -Moleküle lassen sich besonders leicht zum Schwingen anregen. Hierbei handelt es sich um eine tatsächliche kinetische Schwingung und keine Anregung der Elektronen der Atome, wie bei anderen Lasern. Elektronenanregung und Ionisation finden ebenfalls statt, sind aber für den Anregungsprozess der CO

2 -Moleküle nicht relevant.

Sind die N

2 -Moleküle angeregt, können sie nur mit zwei diskreten Amplituden schwingen (v und 2v). In diesem angeregten Zustand können die N

2 -Moleküle sehr lange (Größenordnung 1 ms) bleiben und es besteht somit eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie mit CO

2 -Molekülen kollidieren und diese anregen, in einem derer drei Freiheitsgrade zu schwingen. Natürlich gibt es noch mehr Möglichkeiten, wie die Moleküle schwingen können, doch diese sind für die Funktion des

Lasers nicht von Bedeutung. Des Weiteren sei hier erwähnt, dass die Moleküle, welche auf 2v

3 angeregt wurden, erst durch spontanen Energieverlust um eine Energiestufe fallen müssen, bevor sie ein Photon abgeben können.

Haben die Moleküle ihre kinetische Energie bis v

3 verloren, sind sie in der Lage, von diesem metastabilen Zustand aus in die Zustände 2v

2 und v

1 zu fallen und dabei Photonen in den bezeichneten Wellenlängen zu emittieren. Es ist wahrscheinlicher, dass die Moleküle den Übergang v

3 →v

1 wählen. Daher wird ausschließlich die Wellenlänge um 10,6 µm emittiert, obwohl die Verstärkungsbandbreite größer ist. Nach diesem Vorgang fallen die CO

2 -Moleküle wieder in einen metastabilen Zustand. Durch den Zusammenstoß mit Helium-Atomen geben sie ihre kinetische Energie an diese ab und fallen wieder in den Grundzustand. Dies ist der große Vorteil des CO

2 -Lasers gegenüber dem Helium-Neon-Laser, bei dem die angeregten Moleküle mit der Wand kollidieren müssen, um in den Grundzustand zu gelangen. Hier ist dies nicht der Fall, weswegen man größere Resonatordurchmesser erreichen kann und so den Wirkungsgrad massiv erhöht.