Die LED

Besonders effiziente Lichterzeugung

Grundlagen: Anregung, Emission und Übergangswahrscheinlichkeit

Elektronen in Atomen können durch Stöße oder durch Licht angeregt werden, in ein höheres Energieniveau zu wechseln.
Licht entsteht durch Emission, d.h. dadurch dass ein Elektron aus einem angeregten Zustand in ein tieferes Energieniveau fällt. Die dabei freigesetzte Energie wird in Form von Licht abgegeben.

Die Übergänge zwischen diesen Energieniveaus können unterschiedlich schnell ablaufen. Dies wird durch eine Übergangswahrscheinlichkeit - ähnlich der Halbwertzeit beim radioaktiven Zerfall - angegeben.

Aufbau eines Lasermaterials: Inversion der Elektronenbesetzung Ein Lasermaterial besitzt mehrere Energieniveaus mit sehr unterschiedlichen Übergangswahrscheinlichkeiten. Dabei ist es wichtig, dass eines der höheren Niveaus besonders stabil ist, so dass sich dort die Elektronen ansammeln können. Diese Ansammlung von Elektronen in einem Niveau, unter dem ein freies Niveau existiert, nennt man Inversion. Man unterscheidet zwei grundsätzliche Lasertypen: Dreiniveau-Laser: Ein Elektron wird auf ein angeregtes Niveau (2) angehoben. Aber statt wieder zurück auf das ursprüngliche Niveau (1) zu fallen gibt es einen sehr wahrscheinlichen (schnellen) übergang auf ein besonders stabiles Niveau (3), in dem sich die Elektronen ansammeln, um anschließend langsam auf das ursprüngliche Niveau (1) zurückzukehren. Vierniveau-Laser: Zusätzlich existiert ein leeres Niveau (4), das eine besonders große Übergangswahrscheinlichkeit auf das ursprüngliche Niveau (1) hat. Dadurch bleibt es immer leer. Dieses vierte Niveau erhäht die Effizienz des Lasers erheblich.

Laser-Diode: Füllen eines leeren Energiebandes Bei einer Laser-Diode liegt in der einen Schicht ein leeres Energieband auf Höhe des Leitungsbandes der anderen Schicht vor. Die Elektronen aus dem Leitungsband gelangen zunächst in das leere Energieband und füllen es somit auf. So entsteht eine Inversion.

Erzwungene Emission: Resonanz mit Licht Liegt nun eine Inversion vor kommt es zu einem Resonanzeffekt: Ein an beliebiger Stelle frei werdendes Photon durchfliegt das Lasermaterial und "reißt" dabei andere Elektronen aus der Inversion heraus. Es kommt zu einem Lawineneffekt. Die dabei frei werdenden Photonen haben nicht nur die gleiche Wellenlänge (sie stammen ja aus dem gleichen Niveauunterschied), sie schwingen auch synchron miteinander und bilden damit eine große elektromagnetische Welle.

Aufbau eines Lasers: externe Anregung und Resonanzspiegel Ein typischer Aufbau für einen Laser besteht aus einem Lasermaterial, einer anregenden Lichtquelle und einem Paar Resonanzspiegel, von denen einer teildurchlässig (ca. 5%) ist. Die anregende Lichtquelle stellt die Photonen zur Verfügung, die den Energieübergang 1->2 im Lasermaterial ermöglichen. Dort kommt es dann zur erzwungenen Emission. Das freigesetzte Licht trifft nun auf einen der beiden Spiegel und wird reflektiert, so dass es im Lasermaterial weitere erzwungene Emissionen durchführen kann. Ein Photon kann nun mehrere Male das Lasermaterial durchlaufen, bis es den teildurchlässigen Spiegel durchquert und freigesetzt wird.

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