Techniklexikon

Niveauschema

Laserphysik und -technik, derjenige Teil des elektronischen, Vibrations- oder Rotations-Termschemas eines in einem Lasermedium verwendeten Atoms, Moleküls oder Festkörpers, der direkt oder indirekt an der induzierten Emission beteiligt ist (Laser). Da ein Laser nur betrieben werden kann, wenn sich eine ausreichende Besetzungsinversion herstellen lässt, ist die Existenz eines geeigneten Laserniveauschemas Voraussetzung dafür, dass ein bestimmtes Material als Lasermedium verwendet werden kann. Generell wird sich in einem Teilchenensemble eine thermische Verteilung einstellen, d.h. in einem energetisch tiefer gelegenen Zustand befinden sich immer mehr Teilchen als in jedem der höher gelegenen Niveaus. Von einer Besetzungsinversion spricht man, wenn zumindest ein höhergelegener Zustand stärker besetzt ist als ein tiefergelegener. Der Übergang des Teilchens von einem zum anderen Niveau kann sowohl durch Absorption oder Emission von Photonen als auch durch Stösse mit anderen Teilchen geschehen.

Das einfachste Niveauschema eines Teilchens besteht aus einem System mit zwei Energieniveaus: einem unteren Niveau , im allgemeinen der nicht-angeregte Grundzustand des Teilchens, und einem energetisch angeregten oberen Niveau , dessen Energie E₂ grösser ist als die des unteren E₁. Ein Laser lässt sich mit diesem Zwei-Niveau-Schema allerdings nicht realisieren, da in diesem System keine Besetzungsinversion zu erzielen ist.

Das einfachste verwendbare Laserniveauschema ist das »Zwei«-Niveau-Schema. Hier sind in den Atomen (oder Molekülen) des Lasermediums der Grundzustand , ein oberes Niveau  und ein dazwischenliegendes Niveau  an der Herstellung der Besetzungsinversion beteiligt, mit . Durch einen geeigneten Pumpmechanismus werden die Atome zuerst aus dem Grundzustand  nach  angehoben; durch einen optischen oder strahlungslosen Übergang gelangen diese Teilchen dann mit der Zerfallsrate r₃₂ in den Zustand . Der eigentliche Laserübergang, d.h. der Übergang, bei dem es zur induzierten Emission von Laserphotonen kommt, liegt zwischen diesem Niveau  und dem Grundzustand . Dieses Niveauschema eignet sich nur für Pulslaser, weil eine Besetzungsinversion zwischen  und  nur möglich ist, wenn mehr als die Hälfte aller Teilchen gleichzeitig aus dem Grundzustand angeregt werden können.

Das Drei-Niveau-Schema ist dem »Zwei«-Niveau-Schema sehr ähnlich, jedoch findet hier der Laserübergang zwischen den beiden angeregten Niveaus  und  statt, so dass lediglich das obere Niveau  ausreichend schnell gefüllt und das untere Niveau  ausreichend schnell geleert werden muss und eine Besetzungsinversion auch bei wesentlich geringeren Anregungsraten erreicht werden kann. Es ist jedoch oft schwierig, ein geeignetes Niveau  zu finden, das schnell genug aus dem Grundzustand zu bevölkern ist, jedoch gleichzeitig eine so geringe Zerfallsrate hat, dass der Übergang primär durch induzierte Emission erfolgen kann. Im Helium-Neon-Laser wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Bevölkerung des oberen Niveaus  des Neons weniger durch direkte Anregung des Neons selber geschieht, sondern vor allem durch eine Anregung des Heliums, das selber nicht an der Laseremission beteiligt ist, aber in Stössen zweiter Art seine Energie sehr effizient an das Neon abgibt und so die Besetzungsinversion herstellt.

In einem Vier-Niveau-Schema ist es durch einen weiteren, sehr kurzlebigen Zustand  möglich, für das obere Niveau  des Laserübergangs einen langlebigen, z.B. einen metastabilen, Zustand zu wählen und diesen durch Zerfall aus dem energetisch höheren, ebenfalls kurzlebigen Niveau  effizient zu bevölkern. Sind die Zerfallsraten r₂₃ (in das obere Laserniveau) und r₄₁ (aus dem unteren Laserniveau in den Grundzustand) wesentlich grösser als die Rate r₃₄ des spontanen Zerfalls des Laserübergangs, dann lässt sich die Besetzungsinversion leicht erzeugen und aufrechterhalten. (Diodenlaser, Farbstofflaser)

Niveauschema: a) Zwei-Niveau-Schema, b) »Zwei«-Niveau-Schema, c) Drei-Niveau-Schema, d) Vier-Niveau-Schema.