Verstärkte spontane Emission

Schema eines Superstrahlers
A: Spontane Emissionen in verschiedene Richtungen
B: Spontane Emission in Richtung der Resonatorachse
C: spontane Emission wird durch stimulierte Emission verstärkt
D: emittiertes Licht

Verstärkte spontane Emission, auch Superlumineszenz oder Superstrahlung bzw. englisch Amplified spontaneous emission, kurz ASE ist durch spontane Emission erzeugtes Licht, welches durch stimulierte Emission in stabförmigen Medien mit Besetzungsinversion in Richtung der Stabachse optisch verstärkt wurde. Dabei wird die Besetzungsinversion in der Regel durch optisches Pumpen erzeugt.[1] Der Effekt tritt in Lasermedien und optischen Verstärkern auf. Die ASE kann sich in beiden Richtungen der Resonatorachse ausbreiten.[2]

Je nach Anwendung, kann die verstärkte spontane Emission gewünscht oder unerwünscht sein.

Bei einem Superstrahler, der Vorstufe eines Lasers, ist der Effekt erwünscht und führt zu einfachen Aufbauten ohne Laserresonator.[1] Generell ist der Effekt für selbstanschwingende Laser notwendig. Die Rückkopplung der Superlumineszenz im Laserresonator führt zur Laseraktivität, wenn die Laserschwelle überschritten wird.[3]

Die verstärkte spontane Emission verursacht Rauschen in optischen Verstärkern und begrenzt so die Übertragungsgeschwindigkeit in Lichtwellenleitern.[2] In Extremfällen kann sie zur Selbstzerstörung eines optischen Verstärkers führen, zumindest begrenzt sie die maximale Stufenverstärkung.

Beim Scheibenlaser begrenzt der Effekt die Leistung.[4] Bei gütegeschalteten Lasern führt der Effekt zu Leistungsverlust, da so auch bei gesperrtem Güteschalter durch spontane Photonen stimulierte Emission auftritt und die Inversion bereits teilweise abgebaut wird, bevor der Güteschalter öffnet.

In Hochleistungs-CPA-Lasern mit Spitzenleistungen von einigen Terawatt bis Petawatt, wie zum Beispiel beim POLARIS Lasersystem, limitiert die verstärkte spontane Emission den zeitlichen Intensitätskontrast. Aufgrund der Komprimierung der während der Verstärkung gestreckten Laserpulse verursacht die verstärkte spontane Emission einen deutlich längeren Puls, welcher sich zum Teil zeitlich vor dem eigentlichen Laserpuls befindet.[5] Durch die hohen Intensitäten im Fokus von bis zu 10^22 W/cm² ist die ASE oftmals ausreichend, um die gewünschte Laser-Target-Wechselwirkung signifikant zu stören oder sogar zu verhindern.

Siehe auch

Self-amplified spontaneous emission, eine dementsprechende Betriebsart von Freie-Elektronen-Lasern

Einzelnachweise

  1. ↑ a b Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler: Laser: Grundlagen · Systeme · Anwendungen, Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-22080-1, S. 36 [1]
  2. ↑ a b Andres Keller: Breitbandkabel und Zugangsnetze: Technische Grundlagen und Standards, Springer-Verlag, 2011, ISBN 978-3-642-17631-9, S. 172 [2]
  3. ↑ Henning Fouckhardt: Photonik: Eine Einführung in die integrierte Optoelektronik und technische Optik, Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-94734-5, S. 200 [3]
  4. ↑ Marc Eichhorn: Laserphysik: Grundlagen und Anwendungen für Physiker, Maschinenbauer und Ingenieure, Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-642-32648-6, S. 175 [4]
  5. ↑ Sebastian Keppler, Alexander Sävert, Jörg Körner, Marco Hornung, Hartmut Liebetrau: The generation of amplified spontaneous emission in high-power CPA laser systems. In: Laser & Photonics Reviews. Band 10, Nr. 2, 1. März 2016, ISSN 1863-8899, S. 264–277, doi:10.1002/lpor.201500186, PMID 27134684, PMC 4845653 (freier Volltext) – (wiley.com [abgerufen am 11. September 2016]).