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Die Entwicklung des Lasers

Beginnen möchten wir zunächst damit, den Sinn der Abkürzung beziehungsweise des Kunstwortes „L A S E R“ zu verstehen: „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Da wird also Licht verstärkt und die Aussendung der Lichtstrahlen irgendwie stimuliert. Was soll das?
Dazu sollte man eine ungefähre Vorstellung davon haben, was Photonen „Lichtteilchen“) eigentlich sind. Es handelt sich beim sichtbaren Licht um kurze Abschnitte einer elektromagnetischen Welle mit Wellenlängen um die 400 bis 700 Nanometer, deren sogenannte Kohärenzlänge aber nur so lang ist, wie der Sprung eines Elektrons von einer höheren zu einer niedrigeren Schale im aussendenden Atom dauert. Da dies zum Beispiel bei den „angeregten“ Atomen in der Glühwendel einer Lampe ständig passiert, kommt eine Flut einzelner, unzusammenhängender „Lichtwellenstückchen“ auf uns zu, normales Licht eben.
Bei der stimulierten Lichtaussendung des Lasers geht es darum, die Photonen in ihrer zeitlichen Abfolge so definiert auszusenden, dass sie sich alle in der richtigen Phase ordentlich aneinanderhängen, das heißt, sie verschmelzen alle zu einem einzigen langen Photon mit einer quasi unendlichen Kohärenzlänge. Daraus ergibt sich ein ganz besonderes Licht, das unter anderem diese enorme Bündelungsfähigkeit und Energiedichte aufweist.
Die theoretischen Grundlagen dafür lieferte Albert Einstein (1916), der das Prinzip der stimulierten Emission mathematisch formulierte. Das Phänomen Licht war geradezu ein Steckenpferd in der Gedankenwelt von Einstein. Das Modell der oben genannten Photonen geht auf Einsteins Überlegungen zurück, der sie zunächst als Lichtquanten bezeichnete. Ihre Energie ist direkt mit ihrer Frequenz beziehungsweise Wellenlänge, die an der Farbe des Lichts ersichtlich ist, verknüpft:
Energie = Plancksches Wirkungsquantum mal Frequenz (Das Wirkungsquantum ist eine extrem kleine Zahl.)
Die Umrechnung zwischen der Wellenlänge und der Frequenz einer elektromagnetischen Welle ist ebenfalls sehr einfach zu bewerkstelligen:
Lichtgeschwindigkeit = Wellenlänge mal Frequenz
(Die Lichtgeschwindigkeit ist nur im luftleeren Raum eine Naturkonstante, im Wasser oder in Glas ist sie deutlich kleiner.)
Die oben kurz angedeutete Lichtenstehung aufgrund eines Elektronensprungs eines Elektrons von einem höheren Energiezustand zu einem geringeren Energieniveau funktioniert auch in umgekehrter Richtung, das heißt, durch elektromagnetische Bestrahlung können Atome in einen angeregten Zustand versetzt werden. Allerdings mag sich das Atom nicht „ewig aufregen“, sondern neigt dazu, bald wieder in den niedrigeren Energiezustand überzugehen unter Abstrahlung eines entsprechenden Photons.
Wird aber ein bereits angeregtes Atom durch ein weiteres Photon getroffen, sendet es unmittelbar ein Lichtteilchen aus, das sowohl hinsichtlich seiner Richtung als auch der Wellenlänge mit dem vorangegangenen Photon identisch ist. Damit stehen zwei gleichgerichtete Photonen zur Verfügung, die ihrerseits wieder Atome auf die gleiche Weise anregen können. So entsteht eine "Lawine" von Photonen mit denselben Eigenschaften, die sich immer wieder „kopieren“. Darin besteht dann die Verstärkung des Lichtstrahls, die Einstein als „stimulierte Emission“ bezeichnete.

Umsetzung in die Praxis
Dem Physiker Charles Townes gelang es 1951 zuerst, Einsteins Gedanken im Experiment
praktisch umzusetzen, wobei er dazu nicht Lichtstrahlen, sondern die deutlich niederfrequenteren Mikrowellen verwendete und sein Gerät entsprechend als „M A S E R“ bezeichnete.
Erst neun Jahre später (1960) gelang es schließlich dem amerikanischen Physiker Theodore Maiman, einen „richtigen“ Lichtstrahl zu bündeln und damit einen Laser zu bauen. Dazu verwendete er einen Rubin-Kristall, der schon zu dieser Zeit in hoher Reinheit hergestellt werden konnte. Auch die Blitzlampe, die er verwendet hat, war keine besondere Eigenentwicklung, sondern konnte einfach so gekauft werden. Mit Spiegeln lenkte er denselben Lichtstrahl wiederholt durch den Rubinkristall, wodurch darin immer mehr Atome angeregt wurden, rote Lichtquanten auszusenden, die ihrerseits wieder weiter Atome in derselben Weise zum Abstrahlen anregten. Im Ergebnis entstand daraus ein sehr intensiver roter Lichtstrahl, wie man ihn so bislang noch nie gesehen hatte.
Besonders interessant daran war aber die ausbleibende Reaktion der Fachpresse. So viele Wissenschaftler hatten an der Realisation Einsteins Gedanken so lange und intensiv getüftelt. Als dies Maiman nun endlich gelungen war, fand seine Leistung kaum eine Anerkennung in der Fachwelt, was so bemerkenswert wie bitter war.
Dennoch avancierte Maiman mit den Jahren zu einem hochgeschätzten Wissenschaftler und wurde sogar zweimal für den Physik-Nobelpreis nominiert. Niemand weiß heute so recht, warum ihm die bestimmt verdiente höchste wissenschaftliche Auszeichnung nie zuteilwurde. Namhafte Wissenschaftler hatten damals wohl angemerkt, dass Maiman lediglich an einer technischen Umsetzung der Theorie eines Anderen gearbeitet hat.

Übersicht der historischen Meilensteine
1916:
Albert Einstein veröffentlicht die theoretischen Grundlagen des Lasers.
1928:
Erster experimenteller Nachweis des von Einstein beschriebenen Effekts durch die Physiker Hans Kopfermann und Rudolf Ladenburg.
1957:
Der amerikanische Physiker Gordon Gould kreiert das Kürzel "Laser" für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation".
1958:
Die amerikanischen Physiker Charles Townes und Arthur Schawlow setzen das Prinzip mit Mikrowellen (Maser) um.
16.05.1960:
Der amerikanische Physiker Theodore Maiman baut den ersten funktionierenden Rubinlaser.
Dezember 1960: In den Bell Laboratories entwickelt der iranische Physiker Ali Javan den ersten Gaslaser.
1961:
 In den USA wird zum ersten Mal ein Rubinlaser in der Augenheilkunde verwendet.
1962:
 Entwicklung des Halbleiterlasers in den USA.
1964:
Entwicklung des ersten CO2-Lasers, der mit seiner hohen Leistungsdichte in der Industrie zum Bohren, Schneiden oder Schweißen verwendet wird.
1966:
Der Farbstofflaser basiert auf dem Spektrum fluoreszierender Farbstoffe und bildet die Grundlage unter anderem für die Spektroskopie.
1972:
Auf CDs und CD-ROMs wird die Datenspeicherung durch den Halbleiterlaser realisiert.
1980er Jahre:
 Die neue Technologie der Photonik entsteht. Laserdioden werden hierzu als modulierbare Lichtquellen in der Glasfaserübertragung verwendet. Im Ergebnis kann gleichzeitig monochromes Licht in verschiedenen Wellenlängen übertragen werden, wodurch immense Datenübertragungsraten ermöglicht werden.
1998:
 Beim Nanolaser ist die Laserdiode kleiner als die Lichtwellenlänge, die er erzeugt. Quanteneffekte spielen nun auch in den praktischen Anwendungen eine immer größere Rolle.
2010:
Erste vielversprechende Experimente bei der laserinduzierten Kernfusion. Ein Forscherteam am Lawrence Livermore National Laboratory beschießen mit 192 Hochleistungslasern ein kleines, gefrorenes Wasserstoff-Kügelchen und erhitzen es auf ungefähr drei Millionen Grad Celsius. Damit wurde immerhin ein Drittel der Temperatur erreicht, die zum Zünden der Kernfusion erforderlich ist.
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