Induzierte Emission

Stimulierte Emission oder induzierte Emission heißt die Emission eines Photons, wenn sie nicht spontan erfolgt, sondern durch ein anderes Photon ausgelöst wird.

Stimulierte Emission zwischen den Niveaus E_M und E_L am Beispiel eines Lasers.

Die stimulierte Emission ist Voraussetzung für die Funktion von Laser und Maser. Vorher muss sich ein Atom in einem metastabilen Zustand E_M befinden, der auf unterschiedliche Weise erzeugt werden kann: Durch Zusammenstoß mit einem anderen Atom oder durch optisches Pumpen. Falls der einzige Weg zu einem tieferen Energiezustand E_L des Atoms auf Grund der Auswahlregeln der Quantenmechanik verboten ist, kann das Atom die überschüssige Energie nicht durch spontane Emission abgeben und verharrt sehr viel länger als üblich (oft einige Sekunden) in diesem Zustand. Man spricht von einem „verbotenen“ Übergang.

Werden jetzt Photonen eingestrahlt, die genau der Energiedifferenz der beiden Niveaus E_M und E_L entsprechen, kann das Atom den metastabilen Zustand verlassen und die gespeicherte Energie in Form eines Photons abgeben. Das auslösende Photon bleibt erhalten, das neu entstandene fliegt exakt in die gleiche Richtung. Noch mehr: Beide Photonen haben gleiche Energie, gleiche Frequenz, gleiche Wellenlänge und sogar gleiche Phasenlage. Man kann das vielleicht mit „Synchronschwimmen“ vergleichen. Ursache dieser sehr starken Verkopplung ist, dass Photonen Bosonen sind und sich ihre Wellenpakete sehr stark überlappen.

Nun sind also zwei kohärente Photonen unterwegs. Beim Vorbeiflug am nächsten Atom in diesem metastabilen Zustand werden es schon drei Photonen sein. Auf diese Weise kann im Laser kohärentes Licht erzeugt werden, wenn ausreichend viele Atome im metastabilen Zustand „im Weg stehen“ und wenn die Rate der stimulierten Emission die Rate der spontanen Emission übertrifft.

Im Bild wird die stimulierte Emission am Beispiel eines Lasers erklärt: Die Pump-Energiequelle befördert Elektronen vom energetischen Grundniveau E₀ auf das Energieniveau E_P, von wo sie spontan zum Niveau E_M zerfallen. Wenn der weitere Übergang zu E_L „verboten“ ist, befindet sich das Atom im metastabilen Zustand, der entweder nach langer Zeit doch zerfällt (der Zeitraum kann durch Zusammenstoß mit einen anderen Atom verkürzt werden) oder zur stimulierten Emission führt, falls zufälligerweise ein passendes Photon vorbeifliegt und der Energiezustand E_L frei ist. Zwischen E_L und E₀ kann es dann wieder spontane Emissionen geben.

Wenn sich in einem Laser - entgegen dem Normalzustand - mehr Atome im Energieniveau E_M als im Niveau E_L befinden, liegt eine Besetzungsinversion vor. Für ein Einzelatom ist dieser Begriff sinnlos, man spricht dann von einem angeregten Zustand.

Die stimulierte Emission wurde 1916 von Albert Einstein in seinem Aufsatz Zur Quantentheorie der Strahlung ^{[1] [2]} postuliert. In seinen Hypothesen über den Energieaustausch durch Strahlung setzte er voraus, dass unter dem Einwirken der Strahlung auch der Umkehrprozess der Absorption stattfindet. Er fasste diesen Prozess mit der Absorption zusammen als "Zustandsänderung durch Einstrahlung". Einen Namen gab Einstein diesem Prozess noch nicht. 1921 gelang Rudolf Ladenburg bei Gasentladungen der erste experimentelle Nachweis.

Obwohl der Begriff induzierte Emission noch immer verwendet wird, hat sich im Sprachgebrauch und in Fach- und Lehrbüchern die Verwendung von stimulierter Emission durchgesetzt.

Siehe auch

• Einsteinkoeffizienten

Weblinks

• Induzierte Emission, einfache Darstellung in einer Physik-Facharbeit
• Interaktive Darstellung von Absorption, Emission und der stimulierten Emission

Einzelnachweise

1. ↑ Erstveröffentlichung in Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft Zürich. Nr. 18, 1916
2. ↑ Physik. Zeitschr. Nr. 18, 1917, S. 121