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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