Systeme der Physik

Zusammenfassung

Der Laser ist eines der heutzutage am besten verstandenen Vielteilchenprobleme. Er repräsentiert ein System fern vom thermischen Gleichgewicht und liefert uns die Möglichkeit, kooperative Effekte bis ins Detail zu studieren. Wir nehmen den Festkörperlaser als Beispiel, der aus einem gewissen Satz von laseraktiven Atomen besteht, die in eine Festkörpermatrix eingebaut sind (vgl. Abb. 1.9). Wie üblich nehmen wir an, daß die Laserendflächen als Spiegel wirken, die zwei verschiedene Zwecke erfüllen: Sie selektieren Moden, die sich in axialer Richtung ausbreiten und die diskrete Frequenzen des Resonators haben. In unserem Modell werden wir Atome mit zwei Energieniveaus betrachten. Im thermischen Gleichgewicht sind diese Niveaus entsprechend einer Boltzmann-Verteilung besetzt. Durch Anregung der Atome erzeugen wir eine invertierte Population, die durch eine negative Temperatur beschrieben werden kann. Die angeregten Atome beginnen nun Licht zu emittieren, das schließlich durch die Umgebung absorbiert wird, deren Temperatur sehr viel kleiner ist als ħω/k _B (wobei ω die Lichtfrequenz des atomaren Übergangs und kk _B die Boltzmann-Konstante ist), so daß wir diese Temperatur ≈ 0 setzen können. Vom thermodynamischen Standpunkt her ist der Laser ein System (zusammengesetzt aus Atomen und dem Feld), das an Reservoire unterschiedlicher Temperatur gekoppelt ist. Der Laser ist also ein System fern vom thermischen Gleichgewicht.