#class/Ex-IV #experiment 

# 3-Niveau-System

In der Technik wäre es zur Erzeugung von Lasern wünschenswert, dass sich alle Atome im angeregten Zustand $\beta$ der [[Absorption und Emission]] befinden. Dies ist jedoch nicht möglich, da mit den Bedingungen der [[Absorption und Emission#Druckverbreiterung]] das System hierfür eine Temperatur von $T \to -\infty$. Ein praktischer Ausweg ergibt sich mit einem **3-Niveau-System**

![[Ex4_0723_3Niveau.png]]
Unser gewünschtes Dreiniveausystem ist in dargestellt. Dabei fordern wir des Weiteren, dass im Verhältnis $U_{\left\lvert 1 \right\rangle \left\lvert 0 \right\rangle}$ deutlich langsamer ist als $U_{\left\lvert 2 \right\rangle\left\lvert 1 \right\rangle}$, also die Lebensdauer deutlich größer ist. Unter diesen Bedingungen kann eine Inversion der Zustände $\left\lvert 0 \right\rangle$ und $\left\lvert 1 \right\rangle$ erzeugt werden. Es kann also kurzzeitig die klassische Thermodynamik außer Kraft gesetzt werden. 

# Laseraufbau
![[Ex4_0723_Laser_principle.png]]
![[Ex4_0723_Laser.png]]

Durch den Aufbau nach obiger Abbildung ist es möglich eine Resonanz an **stimulierten Emissionen** zu Erzeugen. Die [[Absorption und Emission#Linienverbeiterung]] liegt in der Größenordnung von $\frac{\Gamma}{\hbar \omega} \approx \pu{e-5}$.
Durch die Bedingung der stehenden Welle zwischen den Spiegeln des Lasers muss jedoch auch gelten, dass $$n \lambda = 2 L$$ An einem besipielhaften Laser mit $L = \pu{{20} {cm}}$ und $\lambda = \pu{{500} {nm}}$ ergibt sich somit hingegene eine maximale [[Absorption und Emission#Linienverbeiterung]] von $\frac{\Delta \lambda}{\lambda} \approx \pu{2e-6}$. Dies wirkt zunächst widersprüchlich, wie aber eine solch geringe Linienverbreiterung erreicht werden kann, wird im Folgenden durch die **Eigenmoden** des Lasers erläutert.
![[Ex4_0723_Laser_Verstärkung.png]]
In obiger Abbildung ist dargestellt wie zunächst die allgemeine Verstärkungsfunktion eines atomaren Übergangs eine große [[Absorption und Emission#Linienverbeiterung]] aufweißt, welche jedoch durch die Resonatorbedingung auf einige Eigenmoden reduziert wird mit der jeweilg entsprechenden Intensität. Durch die Brenzung auf Eigenmoden mit einer Intensität, welche über der Lasergrenze liegt wird die ursprünglich Linienbreite eliminiert und man erhält die gewünschte hoch genaue Frequenzauflösung eines Lasers.

Des Weiteren wird der Effekt der stimulierten Emission zur Verstärkung von Licht auch in mit oder dotierten Glasfasern zur Signalverstärkung bei Durchlauf genutzt, da durch die stimulierte Emission weiterhin kohärentes Licht entsteht und zur weiteren Signalübertragung genutzt werden kann ohne auf elektrooptische Umwandlung zurückgreifen zu müssen.


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