Die Anfänge des Lasers – eine Lösung, die ein Problem sucht. Der Außenseiter Theodore Maiman erfand 1960 den Rubinlaser. Doch mehr als ein interessanter Forschungsgegenstand schien der Laser für ihn nicht zu sein. Obwohl aus alltäglichen Anwendungen heute nicht mehr wegzudenken, feierte der Laser bereits seinen 50. Geburtstag: Im Jahr 1960 wurde die interessante Lichtquelle von einem wissenschaftlichen Außenseiter, dem Physiker Theodore Maiman, ausgetüftelt. Aber er gab seiner Erfindung keine große Zukunft!
Der Laser beruht auf stimulierter Emission von Photonen
Laser ist ein Akronym aus „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, zu Deutsch „Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsemission“. Der Name verdeutlicht das Grundprinzip des Lasers: Die Erzeugung und Verstärkung des Lichts basiert auf stimulierter, das heißt induzierter Emission von (sichtbarer) Strahlung in speziell angeregten Systemen. Auch wenn die Laserstrahlung heute Bereiche umfasst, die im Infrarot, Ultraviolett, sogar im Röntgen liegen, wurde die Bezeichnung „Laser“ für nach diesem Prinzip erzeugte Strahlung beibehalten.
Das Phänomen der stimulierten oder induzierten Emission wurde zuerst von Albert Einstein 1917 im Rahmen seiner Arbeiten über das Plancksche Wirkungsquantum als Umkehrung der Aufnahme von Licht beschrieben: Befinden sich die Elektronen eines Atoms in einem energetisch höheren Zustand, so können sie unter dem Einfluss eines Lichtteilchens (Photon genannt) wieder zurück in ihren Grundzustand gehen. Voraussetzung ist allerdings eine passende Energie oder Farbe des Lichtteilchens. Dabei wird die Anregungsenergie in Form eines (weiteren) Lichtquants abgegeben. Dieses neue Photon hat identische Eigenschaften wie das auslösende Teilchen, vor allem stimmen Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung überein. Das Strahlungsfeld wird bei induzierter Emission kohärent verstärkt.
Spontane und induzierte Emission am Beispiel „Apfelbaum“
Der Unterschied zwischen spontaner Emission und induzierter Emission lässt sich gut an einem Beispiel verdeutlichen: Wenn Sie unter einem Apfelbaum stehen, kann spontan ein Apfel herunterfallen (und Sie treffen). Wenn Sie jedoch einen Apfel gezielt in den Baum werfen, „schüttelt“ dieser weitere Äpfel herunter. Gewöhnliche Lichtquellen wie glühende Körper oder angeregte Gase zum Beispiel in Kerzen erzeugen inkohärente Strahlung: Die Lichtabgabe erfolgt in allen möglichen Farben des Spektrums und sowohl zeitlich als auch räumlich völlig regellos. Die Mitglieder eines Chors sind ein gutes Beispiel für das Verhalten der Lichtteilchen: Bei einer Kerze singen alle durcheinander, jeder was er will, wann er will und wie schnell er will. Beim Laser singen alle Chormitglieder ein- und dasselbe Lied, und der Dirigent sorgt dafür, dass nicht nur alle gleichzeitig anfangen, sondern auch mit gleicher Geschwindigkeit singen.
Das Laserprinzip: Besetzungsumkehr
Die stimulierte Emission galt viele Jahre als rein theoretisches Konzept. Unter normalen Bedingungen wird nämlich das eingestrahlte Lichtteilchen vom Atom einfach aufgenommen, die Absorption ist der dominante Prozess. Stimulierte Emission lässt sich nur mithilfe einer so genannten Besetzungsumkehr, bei der es mehr Atome in einem höheren Energiezustand als solche im Grundzustand gibt, erreichen. Solche angeregten Atome werden für die induzierte Emission benötigt. Zudem muss sich das Atom auch lange genug in diesem höheren Energiezustand aufhalten, damit das Elektron nicht von selbst, also spontan, in den Grundzustand zurückfällt.
Solche Besetzungsinversionen gibt es von Natur aus nicht, sie müssen künstlich erzeugt und aufrecht erhalten werden. Dass sich allerdings in einem geeigneten Material mit Hilfe technischer Tricks so etwas realisieren lässt, konnte Charles Townes bereits 1955, anhand des Masers, der Molekülschwingungen zur Grundlage hat, zeigen. Aber dieser Maser arbeitete mit Mikrowellen und nicht mit Licht, das eine viel kleinere Wellenlänge hat!
Elektronenpumpen als technischer Trick
Die Frage lag daher nahe, ob durch geschicktes „Elektronenpumpen“ eine Besetzungsumkehr in einem geeigneten System erreicht werden könnte, so dass durch stimulierte Emission auch eine Lichtverstärkung im sichtbaren Bereich möglich wäre. Gegen Ende der 1950er Jahre erschienen erste Arbeiten, in denen durch Licht angeregter Cäsium-Dampf bzw. ein durch Hochfrequenzeinstrahlung angeregtes Helium-Neon-Gasgemisch als Licht verstärkendes Medium diskutiert wurden, allerdings waren alle nur theoretischer Art. Umso mehr überraschte die Wissenschaftsgemeinde, als es 1960 einem wissenschaftlichen Außenseiter, dem bei dem kalifornischen Luftfahrt-Hersteller Hughes Research Laboratories tätigen Theodore Maiman zusammen mit seinem Assistenten Charles Asawa gelang, einen Lasereffekt in einem Rubinkristall zu erzeugen.
Maimans Rubinlaser
Maimans Laser war nur wenige Zentimeter lang, funktionierte aber bereits hervorragend. Er bestand aus einem zylindrischen Rubinstab, der von einer wendelförmigen Blitzlampe umgeben war. Der Kristall befand sich zwischen zwei planparallelen Spiegeln, zwischen denen das Licht hin und her reflektiert wurde und sich so innerhalb des Lasermediums immer weiter verstärkte. Diese Anordnung bezeichnet man als optischen Resonator. Einer der beiden Spiegel ist halbdurchlässig, so dass ein Teil des Lichtes als Laserstrahl austreten kann. Bei diesem so genannten 3-Niveau-Laser schafft die Pumpenergie der intensiven, gepulsten Blitzlampe die im Rubin enthaltenen Chrom-Atome in einen relativ hohen Energiezustand. Übergänge in das energetisch darunter liegende Laserniveau erfolgen sehr viel häufiger als die direkte Rückkehr in den Grundzustand und erzeugen damit – sozusagen von einer höheren Energie her kommend – die nötige Besetzungsumkehr.
Die Laseridee lag in der Luft
Die Idee lag aber offenbar in der Luft, denn schon wenige Wochen später gelang es (unabhängig von Maiman) einer anderen Forschungsgruppe, intensive Laserstrahlung ebenfalls in einem Rubinkristall anzuregen, allerdings im Pulsbetrieb. Der erste Dauerstrichlaser wurde dann Ende 1960 als Helium-Neon-Gaslaser bei einer Wellenlänge von 1,15 Mikrometer, also im (noch) nicht sichtbaren Infrarot, in Betrieb genommen. Bei diesem neuen Konzept entsteht das Laserlicht durch einen elektrischen Strom, der durch eine Röhre mit Helium und Neon fließt und für Gasentladungen sorgt. Diese pumpen die Elektronen des Heliumgases auf ein hohes Energieniveau. Das Neon stellt das eigentliche Lasermedium dar. Die Energiezustände werden im Dauerlaserbetrieb immer wieder nachgeliefert.
Obwohl zweimal für den Nobelpreis nominiert, wurden Maimans Leistungen für der Laserentwicklung nicht berücksichtigt. Allerdings blieb er seiner Erfindung treu, einige Jahre später gründete er erfolgreich eine eigene Firma für die Produktion von Lasergeräten. Von Maiman hörten Reporter übrigens auch zum ersten Mal das Kunstwort „Laser“, das bald in aller Munde war.
Doch die Laserpioniere mussten damals auch viel Spott einstecken. Maiman selbst bezeichnete den Laser zunächst als eine „Lösung, die ein Problem sucht“. Denn es gab – abgesehen vom wissenschaftlichen Bereich – zunächst keine Anwendungen für dieses ungewöhnlich intensive Licht, das sich nicht verbreitert und daher sehr zielgenau eingesetzt werden kann. Außer natürlich für die Sciencefiction-Autoren und –Filmemacher, die sich auf diese Wunderwaffe sofort stürzten und beispielsweise Ungeheuern kurzerhand Laseraugen verpassten.
Lust auf mehr? Auch mit der Erklärung des Spaghettibruchs hat sich die Wissenschaft eine lange Zeit schwer getan. Und dass das Farbmuster der Seifenblasen durch Interferenz von Lichtwellen entsteht, konnte eigentlich erst geklärt werden, nachdem Licht als Welle erkannt wurde. Und Physik kann natürlich auch Spaß machen, zum Beispiel beim Trick „Zauberwasser“.