Wie funktioniert ein Laser?

Das Laser-Prinzip: Wie stimulierte Emission und der Resonator funktionieren

Die physikalische Grundlage der Lasertechnologie

Die Bezeichnung LASER ist ein Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – auf Deutsch: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Dieses physikalische Prinzip ist das Herzstück jeder Laseranlage und bildet das Fundament für die einzigartige Präzision von Lasern in der ästhetischen Anwendung.

Diese Grafik verdeutlicht den Prozess innerhalb eines optischen Resonators, der aus einem Verstärkermedium und zwei Spiegeln besteht. Hier sind die entscheidenden Schritte:

• Energiezufuhr: Eine externe Energiequelle, wie eine Blitzlampe, regt die Atome im Verstärkermedium an, um sie in einen energiereichen Zustand zu versetzen.
• Stimulierte Verstärkung: Photonen bewegen sich zwischen den Spiegeln hin und her und lösen bei jedem Durchgang durch das Medium weitere stimulierte Emissionen aus, wodurch identische „Photonen-Kopien“ entstehen.
• Rückkopplung: Der vollreflektierende Spiegel wirft das Licht komplett zurück in den Prozess, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.
• Auskopplung: Durch den teildurchlässigen Spiegel tritt ein kleiner, definierter Teil des Lichts als hochgebündelter, kohärenter Laserstrahl nach außen

Spontane Emission: Das Gegenteil des Lasers

Um den Laser zu verstehen, ist es wichtig, die spontane Emission abzugrenzen.

Wenn Atomen im Lasermedium von außen Energie zugeführt wird (der sogenannte Pumping-Vorgang), gelangen sie in einen angeregten Zustand. In diesem Zustand sind die Atome energiereicher als im normalen Grundzustand.

• Spontane Emission: Ohne äußere Steuerung geben die Atome ihren Energieüberschuss nach kurzer Zeit zufällig wieder ab. Dies geschieht in Form einer Lichtwelle (eines Photons). Weil diese Lichtabgabe zeitlich und richtungsbezogen zufällig ist, entsteht inkohärentes Licht, wie es typischerweise von Blitzlampen (IPL) ausgestrahlt wird.

Die Stimulierte Emission: Der Kontrollierte Vervielfältigungsprozess

Beim Laser wird dieser zufällige Prozess durch eine kontrollierte Abgabe des Lichts ersetzt:

1. Ein Atom befindet sich im angeregten Zustand.
2. Trifft ein bereits vorhandenes Photon passender Wellenlänge auf dieses angeregte Atom, wird es zur sofortigen Emission angeregt (stimuliert).
3. Das Atom kehrt in den Grundzustand zurück und gibt dabei ein neues Photon ab, das eine exakte Kopie der ursprünglichen Welle ist: Es schwingt in der gleichen Phase und breitet sich in dieselbe Richtung aus.

           Dieser Vervielfältigungseffekt ist die namensgebende Lichtverstärkung.

Dieses Schaubild verdeutlicht den Prozess von der Energiezufuhr bis zum fertigen Laserstrahl in drei anschaulichen Schritten:

• Anregung: Durch eine externe Energiequelle (wie eine Blitzlampe) werden die Atome im Verstärkermedium in einen „angeregten“ Zustand versetzt.
• Stimulierte Emission: Ein Photon löst bei einem angeregten Atom die Emission eines zweiten, identischen Photons aus. So entstehen exakte Kopien in Bezug auf Frequenz und Phase.
• Auskopplung: Während ein Teil des Lichts durch die Spiegel im Resonator hin und her reflektiert wird, tritt ein definierter Teil durch den teildurchlässigen Spiegel als kohärenter Laserstrahl aus.

Die Besetzungsinversion als Voraussetzung

Damit die Lichtverstärkung funktioniert, muss das Lasermedium ständig mit neuer Energie versorgt werden (Pumpen). Der Schlüssel ist der Zustand der Besetzungsinversion:

• Laser funktionieren nur dann, wenn sich mehr Atome im angeregten Zustand als im Grundzustand befinden.
• Nur dann überwiegt die Wahrscheinlichkeit der stimulierten Emission die Wahrscheinlichkeit der Absorption, und es wird mehr Licht erzeugt als verschluckt. 

Der Resonator: Der Weg zum perfekten Strahl

Der Resonator ist das optische System (zwei parallele Spiegel), das diesen Verstärkungsprozess aufschaukelt und bündelt.

• Die durch stimulierte Emission erzeugten Lichtwellen pendeln zwischen den Spiegeln hin und her. Dieser Prozess wird als optische Rückkopplung bezeichnet. Durch das mehrfache Durchlaufen des Lasermediums werden immer mehr Photonen im exakt gleichen Takt (Kohärenz) zur Emission angeregt, wodurch die enorme Intensität und Bündelung des Laserstrahls entsteht.
• Ist einer der Spiegel teildurchlässig (Auskoppelspiegel), kann dort der fertige Laserstrahl austreten.

Um einen Laserstrahl zu erzeugen, müssen drei wesentliche Bausteine perfekt zusammenarbeiten:

• Die Pumpe (Energiequelle): Sie liefert die benötigte Anregungsenergie, um die Atome im Medium in einen höheren Energiezustand zu versetzen.
• Das Lasermedium: Das Herzstück des Lasers. Hier findet die eigentliche Lichtverstärkung durch stimulierte Emission statt.
• Der Resonator: Bestehend aus zwei Spiegeln, sorgt er dafür, dass das Licht immer wieder durch das Medium gelenkt wird, bis es als gebündelter Strahl austritt

Zusammenfassend erzeugt der Laser folgende Strahlungseigenschaften:

1. Monochromatisch: Das Licht besteht aus einer einzigen, hochreinen Wellenlänge.
2. Kohärent: Die Lichtwellen sind zeitlich und räumlich in Phase ausgerichtet.
3. Intensiv: Eine extrem hohe Energiedichte pro Fläche wird erreicht.
4. Kollimiert: Die Lichtstrahlen verlassen den Laser nahezu perfekt parallel. Im Gegensatz zu einer Taschenlampe, deren Lichtkegel sich schnell verbreitert, bleibt der Laserstrahl auch über lange Distanzen extrem gebündelt.“

„Stimulierte Emission oder induzierte Emission heißt die Emission (Aussendung) eines Photons, wenn sie nicht spontan erfolgt, sondern durch ein anderes Photon ausgelöst wird“

Technische Grafik zum Aufbau eines Lasers mit Darstellung von Resonator, Lasermedium, Kühlsystem und Handstück für die dauerhafte Haarentfernung.

Weiterführende Literatur & Quellen:

Bestandteile eines Lasers – (leifiphysik)

Svelto, O.: Principles of Lasers, 5th Edition, Springer

TROS Laserstrahlung (Technische Regeln zur Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung - (Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin)

Ein tolles Video dazu:

Hinweis: Einige Bilder auf dieser Website wurden mit Unterstützung von künstlicher Intelligenz erstellt und dienen ausschließlich illustrativen Zwecken.

Fachwissen verständlich erklärt

Dieses Wissensportal dient unseren Kunden als Orientierungshilfe, um die Hintergründe und Vorteile medizinischer Laser-Verfahren besser zu verstehen.

Alexandra Steiger (geb. Dillmann)

Gründerin von ad new cosmetics & Expertin für dauerhafte Haarentfernung

„Qualität und Sicherheit sind in der Haarentfernung kein Zufall, sondern das Ergebnis von Erfahrung und Wissen.“

Dieser Lexikonbeitrag wurde fachlich von Alexandra Steiger geprüft und redaktionell freigegeben. Als Geschäftsführerin von ad new cosmetics verfügt sie über eine Praxiserfahrung seit 2003 in der dauerhaften Haarentfernung mit medizinischen Laser- und IPL-Technologien.

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