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Besetzungsinversion

Populationsinversion, Besetzungsumkehr, Zustand eines Systems von Atomen oder Molekülen, in dem entgegen der thermischen Boltzmann-Verteilung mindestens ein höheres Energieniveau stärker besetzt ist als ein tiefergelegenes. Sind n1 und n2 die Besetzungszahlen des niedrigeren bzw. des höheren Niveaus, so bedeutet Besetzungsinversion demnach: n2 > n1. Die Besetzungsinversion wird oftmals durch negative Temperaturen quantitativ charakterisiert. Für den Betrieb eines Lasers ist die Besetzungsinversion der an der Laseremission beteiligten Energieniveaus eine notwendige Vorraussetzung. Eine Besetzungsinversion wird sich im allgemeinen von selbst durch den spontanen Zerfall der höheren Zustände abbauen. Um eine Besetzungsinversion herzustellen bzw. aufrechtzuerhalten, müssen somit Atome (oder Moleküle) aus dem unteren Niveau in das für die Laseremission verantwortliche obere Niveau transferiert - "gepumpt" - werden. Im Unterschied zur Fluoreszenz, bei der bereits zwei Niveaus ausreichen, um den gewünschten Effekt zu erzielen, basiert das Laserprinzip auf der Beteiligung von mindestens drei Niveaus (Drei-Niveau-Laser, Vier-Niveau-Laser), nämlich dem Grundniveau und zwei angeregten Niveaus. Eines der angeregten Niveaus (das "Laserniveau") muss eine wesentlich höhere Lebensdauer als das andere besitzen. Kann eine Besetzungsinversion in einem Lasersystem zwar für eine kurze Zeit erzeugt, aber nicht aufrechterhalten werden, dann kann dieser Laser nur als Pulslaser, aber nicht als Dauerstrichlaser betrieben werden. Besetzungsinversion wird je nach Lasertyp auf unterschiedliche Weise erreicht, bei Gaslasern (Stickstofflasern, Ionenlasern usw.) und Flüssigkeitslasern (z.B. Farbstofflasern) meist durch Einstrahlung von intensivem Pumplicht oder eine Gasentladung, bei Festkörperlasern z.B. durch Beschuss mit Elektronen oder Anlegen einer hohen Spannung. Den Vorgang, dass sich das System durch die Laseremission selbst die Grundlage der Besetzungsinversion entzieht, bezeichnet man als self-termination.

In Halbleitern ist die Besetzungsinversion ein Besetzungszustand von Energiebändern, bei denen für die Quasi-Fermi-Niveaus Fe und Fh die Bedingung Besetzungsinversion gilt, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum und n die Frequenz der einfallenden Strahlung ist. Dieser Zustand der Besetzungsinversion lässt sich u.a. mittels Injektion von Ladungsträgern in p-n-Strukturen hervorrufen.

 

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