Techniklexikon

Superradianz

Laserphysik und -technik, intensive, »lawinenartige« induzierte Emission kohärenter elektromagnetischer Strahlung durch starke Strahlungsverstärkung in einem angeregten Medium, jedoch ohne Strahlungsrückkopplung in einem Resonator (Laser). Aus der Dichte der Besetzungsinversion Dn, dem Wechselwirkungsquerschnitt s und der optischen Weglänge l im Medium erhält man die Schwellenbedingung für Superradianz , d.h. ein Photon führt beim einmaligen Durchlaufen des Mediums auf Grund der induzierten Emission weiterer Photonen zu einer effektiven Strahlungsverstärkung. Ein einzelnes, spontan emittiertes Photon kann so zu einer lawinenartigen, exponentiellen Zunahme der Strahlungsintensität entlang des Weges führen. Bei einem länglich angeordneten Medium werden sich Lawinen in beiden Richtungen entlang der Achse ausbilden und zu dem in der Abbildung gezeigten Intensitätsprofil führen. Bei ausreichender Überschreitung der Schwellenbedingung kann die gesamte Inversionsenergie in einem kurzen, kohärenten Laserpuls abgerufen werden.

Ein typisches Beispiel ist der Stickstofflaser, der im superradianten Betrieb ohne Laserresonator verwirklicht werden kann. Da man kaum Einfluss auf die Strahlqualität oder Frequenzabstimmung hat (wegen der fehlenden Wechselwirkung mit einem Resonatorsystem), ist Superradianz meist jedoch ein unerwünschter Effekt wie z.B. im Farbstofflaser, der sich durch eine sehr grosse Emissionsbandbreite auszeichnet und daher zur Superradianz neigt. In gepulsten Lasersystemen, die für sehr hohe Leistungen konzipiert sind (z.B. für Fusionsreaktoren), kann es durch Superradianz insbesondere auch zum vorzeitigen Abbau der Besetzungsinversion und dem Verlust der gespeicherten Energie kommen. Daher werden diese Lasersysteme oft als Verstärkerketten einzelner Resonatoren begrenzter Länge und Energie konzipiert.

Von Superradianz im engeren Sinn spricht man bei kohärenter Anregung des Teilchenensembles im Medium, z.B. durch einen gepulsten Pumplaser. In diesem Fall steigt die Übergangsrate und damit auch die Strahlungsleistung proportional zur Anzahl der beteiligten (angeregten) Teilchen.

Superradianz: Räumliche Intensitätsverteilung (I) entlang der Achse (x) eines superradianten Mediums. Die Gesamtintensität I_G ergibt sich aus der Überlagerung der nach rechts (I_r) und nach links (I_l) laufenden Lawinen.