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Laser: Wie maßgeschneidertes Licht die Welt eroberte

Am 16. Mai 1960 - vor 60 Jahren - wurde der erste Laser in Betrieb genommen. Er markierte den Beginn einer neuen Ära, denn heute ist diese Technologie kaum mehr wegzudenken. Ohne sie gäbe es weder Laserdrucker, noch Glasfaser-Datennetze oder Scannerkassen im Supermarkt. Auch in Medizin, Wissenschaft und Industrie sind Laser längst zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden. Was aber macht dieses maßgeschneiderte Licht so besonders?

Forschungslaser in einem DLR-Labor
Seit ihrer Erfindung sind Laser aus der Physik, Astronomie, Chemie, Biologie, dem Maschinenbau und vielen anderen Bereichen kaum mehr wegzudenken.

Laser ist der Alleskönner unter den vielen Spielarten des Lichts – es gibt kaum etwas, wozu man das Laserlicht nicht einsetzen kann. Aber was macht es so vielseitig und gleichzeitig besonders? Immerhin haben das Licht einer Glühlampe und ein Laserstrahl eines gemeinsam: Beide sind elektromagnetische Strahlung. Doch damit enden die Gemeinsamkeiten fast schon wieder. Denn verglichen mit dem ungerichteten, chaotischen Wellensalat des normalen Lampenlichts, ist das Laserlicht extrem geordnet und rein.

Während das Licht der Sonne oder Glühlampe aus einem kontinuierlichen Spektrum von Licht-Wellenlängen besteht, ist Laserlicht auf einen engen Ausschnitt des Spektrums beschränkt. Viele Laser sind sogar monochromatisch und strahlen nur mit einer einzigen Wellenlänge. Die Lichtwellen im Laserstrahl schwingen zudem im gleichen Takt - Laserlicht ist kohärent. Und noch eine Besonderheit kommt hinzu: Ein Laserstrahl weitet sich nicht fächerförmig auf wie das Licht einer Taschenlampe, sondern bleibt fokussiert und parallel.

Verschiedenfarbige Laser
Verschiedenfarbige Laser: rot 635nm und 660nm; grün 520nm udn 532nm; blau 405nm und 445nm

Kaskaden von Photonen – das Prinzip des Lasers

Aber wie entsteht das Laserlicht? Das Prinzip hinter dem Laser hat schon Albert Einstein im Jahr 1917 theoretisch beschrieben. Nach gängigem Atommodell bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Energieniveaus um den Kern. Je weiter außen ihre Bahn, desto energiereicher ist ihr Zustand. Durch Bestrahlung können Elektronen vorübergehend auf eine höhere Bahn gehoben werden, sie werden angeregt. Fallen sie dann wieder in den Ausgangszustand zurück, geben sie die überschüssige Energie als Photonen ab – es entsteht Licht.

Damit aber genügend Licht zusammenkommt, um einen Laserstrahl zu erzeugen, muss man ein Material nutzen, das sich anregen lässt und dann – quasi durch einen Stups – alle Elektronen auf einmal wieder zurückfallen lässt. Es wird eine ganze Kaskade von Photonen frei, die nun ihrerseits wieder für einne neue Anregung sorgen. Diese Kettenreaktion wird als stimulierte Emission bezeichnet. Das Akronym LASER steht daher für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ – Lichtverstärkung durch stimulierte Emission.

Theodore Maiman mit Laser, 1960
Der US-Physiker Theodore Maiman entwickelte 1960 er den ersten funktionstüchtigen Laser.
Theodore Maiman und der erste Rubinlaser

Der erste, der das Prinzip des Lasers praktisch umsetzte, war am 16. Mai 1960 der US-Physiker Theodore Maiman. Er nutzte einen Rubinkristall als Lasermedium, den er mit Blitzlicht-Lampen anregte. Diesen Kristall schloss er in eine Röhre ein, die an einer Seite alles Licht mit einem Spiegel wieder auf den Kristall reflektiert. Die Vorderseite der Röhre war dagwgen halbdurchlässig, so dass ein Teil der Photonen als Laserstrahl austrat, der Rest aber zur weiteren Anregung des Rubinkristalls zurückgeworfen wurde.

Damit schuf Maiman den ersten Rubinlaser, einen Festkörper-Laser. Doch der Physiker stieß damit zunächst auf wenig Begeisterung bei seinen Fachkollegen: Als er die Beschreibung seiner Erfindung bei einem renommierten Fachmagazin einreichte, lehnten die Gutachter sein Manuskript ab. Erst im zweiten Anlauf bei einem anderen Journal hatte er mehr Erfolg. Doch als sein Fachartikel im August 1960 erschien, war dies der Beginn einer neuen Ära – der Siegeszug des Laser war nicht mehr aufzuhalten.

Laserschneidanlage
Laserbearbeitungsmaschinen werden zum Schneiden, Gravieren, Strukturieren, Schweißen, Härten und Beschichten sowie für volumenaufbauende Verfahren eingesetzt.

Anwendungen vom Kleinsten bis ins Größte

Heute stecken in den meisten Laseranwendungen keine Rubinlaser mehr, sondern Laserdioden. Diese nutzen Halbleiter als Lasermedium, die bei geringerer Größe mehr Licht produzieren können. Durch sie wurden Allerwelttechnologien wie Laserpointer, Laserdrucker, Blu-Ray-Player oder die Scannerkasse im Supermarkt erst möglich. Auch bei der optischen Datenübertragung in Glasfaserkabeln werden meist Laserdioden eingesetzt.

In der Wissenschaft helfen Laser verschiedenster Bauart heute unter anderem bei der Vermessung der Landschaft, beim Aufspüren verborgener Ruinen oder auch beim Beobachten ultraschneller Bewegungen von Molekülen. Der Laser ist für viele Forschungsbereiche längst unverzichtbar geworden. Und auch in der Industrie leistet das maßgeschneiderte Licht Laser wertvolle Arbeit: Es schneidet, bohrt und schweißt unterschiedlichste Materialien im kleinen wie im großen Maßstab. Je nach Leistung, Wellenlänge und Strahldicke ist Laserlicht ist stark genug, um härtesten Stahl zu schneiden oder so sanft, das es sensibelste Oberflächen schadlos abtasten kann.

Sogar ins Weltall haben es Laser schon geschafft: Über sie messen Satelliten untereinander Entfernungen oder übertragen digitale Daten. Selbst die Quantenkommunikation von der Erde in den  Orbit und zurück gibt es schon: Im Sommer 2017 hat ein chinesischer Forschungssatellit erstmals verschränkte Photonen zwei weit auseinander liegende Empfängerstationen auf der Erdoberfläche geschickt.

 Laser am Paranal-Observatorium, Chile
Dieser Laser am Paranal-Observatorium erzeugt einen Lichtpunkt in der oberen Atmosphäre, der als künstlicher Leitstern dient.

NPO, 15.05.2020
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