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Feuilleton

50 Jahre Lasertechnologie

1945 1960 1980 2000 2020
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Im Mai 1960 präsentierte Theodore Maiman in den USA den ersten funktionierenden Laser. Heute wird Lasertechnologie in der Medizin, Industrie und Kommunikation eingesetzt.

„Der Laser ist eine Lösung, die nach einem Problem sucht.“ Diese Aussage stammt keineswegs von einem Kritiker, wie ihr sarkastischer Unterton vermuten ließe. Es war der Erfinder des Lasers selbst, der amerikanische Wissenschaftler Theodore Maiman, der nicht so recht an den praktischen Nutzen seiner Entwicklung glauben wollte. Am 16. Mai 1960 führte er Kollegen den ersten funktionierenden Laser der Welt vor. Damit bestätigte er die technische Machbarkeit dessen, was Albert Einstein mehr als 40 Jahre zuvor theoretisch postuliert hatte. Den 50. Jahrestag seiner Erfindung erlebt der 2007 verstorbene Maiman zwar nicht mehr. Doch den unaufhaltsamen Siegeszug des Lasers als unverzichtbares Hilfsmittel in Wissenschaft und Technik verfolgte er stets mit Genugtuung.

Mit Hilfe von Lasern werden Augenoperationen durchgeführt, Metallbleche verschweißt oder Tunnelröhren vermessen. In der Kommunikationstechnologie spielen sie ebenso eine Rolle wie im Motorenbau. Und auch die reine Grundlagenforschung findet immer neue Fragestellungen. Was den Laser zu einem derart außergewöhnlichen Gerät macht, ist die Tatsache, dass er einerseits universell anwendbar ist. Dass er sich andererseits aber auch ganz präzise für bestimmte Anwendungen optimieren lässt.

Grenzenlose Anwendungen des Lichtstrahls

Diese Kombination aus Universalität und Spezialität begründet seine Attraktivität. Möglichen Anwendungen scheinen kaum Grenzen gesetzt. Was umso erstaunlicher ist, als ein Laser im Wesentlichen nichts anderes tut, als Licht abzustrahlen. Hochenergetisches Licht freilich, das es in sich hat. Das Funktionsprinzip des Lasers ist in seinem Namen codiert. Das Akronym steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Zu Deutsch etwa: Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Zur Erzeugung von Laserlicht werden Atome eines sogenannten „aktiven Mediums“ mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Die Elektronen der Atome absorbieren die Strahlung und gelangen dadurch auf ein höheres Energieniveau. Normalerweise würden sie nach kurzer Zeit in den Grundzustand zurückfallen und Licht der ursprünglichen Wellenlänge abgeben. Bringt man hingegen ein angeregtes Atom dazu, ein weiteres Lichtteilchen zu absorbieren, wird dadurch die zeitgleiche Emission beider Lichtteilchen erzwungen, noch bevor das erste spontan emittiert ist.

Theodore Maiman verwendete als aktives Medium seines Originallasers einen Rubin. Heute gibt es zahlreiche verschiedene Lasertypen, die sich durch ihr aktives Medium sowie die Art der Anregung voneinander unterscheiden.

Gegenüber Sonnenlicht oder Glühbirnenstrahlung weist Laserlicht zwei wesentliche Unterschiede auf. Zum einen sind sämtliche Lichtwellen eines Laserstrahls exakt gleich ausgerichtet (Kohärenz).

Wie Soldaten beim Defilee bewegen sie sich räumlich und zeitlich streng synchron in dieselbe Richtung. Zum anderen weisen die Wellen eine feste Frequenz auf, was sich in einer bestimmten Farbe bemerkbar macht (Monochromasie). Die Verstärkung der kohärenten und monochromatischen Lichtwellen realisiert man technisch durch einen Resonator. Typischerweise handelt es sich um einen Aufbau aus zwei Spiegeln, zwischen denen das Wellenpaket hin und her reflektiert und sich dabei sukzessive verstärkt. Einer der beiden Spiegel ist halbdurchlässig. Er lässt deshalb ein wenig Strahlung durch – den legendären Laserstrahl im engeren Sinn. So weit die Theorie. In der Praxis muss man zusätzlich dafür sorgen, dass sich stets mehr Atome im angeregten Zustand befinden als im Grundzustand. Das passiert durch das „Pumpen“, eine spezielle Form des Energieeintrags mittels Gasentladung, elektrischer Anregung oder durch einen zusätzlichen Laser.

So anschaulich die zahlreichen Anwendungen des Lasers auch sind – die Grenzen zwischen reiner Wissenschaft und industriell verwertbarer Produktentwicklung lassen sich in der Laserphysik weniger scharf ziehen als in anderen Bereichen.

„Das Schöne am Laser ist, dass man mit den gleichen Konzepten sowohl anwendungsorientierte als auch Grundlagenforschung betreiben kann“, sagt Gottfried Strasser vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. Er arbeitet an der Entwicklung der Quantenkaskadenlaser, einem der weltweit am stärksten beforschten Themen innerhalb der Laserphysik.

Neue Laser ohne Kühlung

Quantenkaskadenlaser arbeiten im Frequenzbereich zwischen mittlerem Infrarot und Terahertzstrahlung. Der Clou dabei: Die gewünschte Wellenlänge des emittierten Lichtes lässt sich nach Wunsch einstellen. Dazu lässt man mehrere Hundert nanometerdicke Halbleiterschichten übereinander wachsen, zwischen denen definierte Energieabstände bestehen. „Stellen Sie sich eine Kugel vor, die über mehrere Stufen nach unten rollt“, erklärt Strasser das Prinzip bildlich. „Je höher eine einzelne Stufe, desto lauter ist der Aufprall der Kugel. Und wir können durch den Fertigungsprozess die Höhe jeder einzelnen Stufe exakt einstellen.“ Ein Ziel ist es, die Energie des Lasers so moderat zu halten, dass er bei Raumtemperatur funktioniert, ohne eine eigene Kühlung zu benötigen.

Anwendungen dafür bietet etwa die chemische Analyse mittels Spektroskopie. Einerseits ist die Messauflösung höher als bei üblicher Spektroskopie. Andererseits können auf einem Quantenkaskadenlaser mehrere Wellenlängen eingesetzt werden, was seinen Einsatzbereich erhöht. „Es gibt wohl keinen Chemiker, der an dieser Technologie nicht interessiert ist“, sagt Strasser.

Auch der Innsbrucker Quantenphysiker Rainer Blatt ist kein Unbekannter in der internationalen Laserszene. „Für mich ist der Laser in erster Linie ein Werkzeug, um mehr über das Verhalten von Atomen zu erfahren“, sagt der Professor am Institut für Experimentalphysik. Gemeinsam mit seinem Kollegen Piet Schmidt veröffentlichte er Ende März in der Fachzeitschrift Nature Physics die Resultate zu ihrer Arbeit an einem Laser, der nur aus einem einzelnen Atom – einem Calcium-Ion – besteht.

Einatomiger Laser

Dieser Laser weist sowohl „klassisches“ als auch quantenmechanisches Verhalten auf. So führt verstärktes Pumpen zu einem Effekt der Selbstverstärkung. Ganz so, wie man es von makroskopischen Lasern kennt. Unter bestimmten Bedingungen andererseits gehorcht das System den oft kontraintuitiven Regeln der Quantenwelt. Zum Beispiel lassen sich dann immer nur einzelne Lichtteilchen einbringen und der Selbstverstärkungseffekt bleibt aus. Ab einer gewissen Anregungsstärke kommt es außerdem zu quantenmechanischen Überlagerungen und der Laser erlischt.

Für Blatt ist der einatomige Quantenlaser eine Zwischenstufe. Ziel seiner Forschung ist ein Bauteil, das gezielt Quanteninformationen verstärkt. „Zum Übertragen von Quanteninformationen braucht man das Licht einzelner Atome“, sagt Blatt. „Unser Laser ist ein Schritt auf dem Weg dorthin.“

Zumindest äußerlich haben gegenwärtige Laser nur mehr wenig mit der eher klobigen Erfindung Theodore Maimans von 1960 gemein. Ein Dutzend Nobelpreise wurde seit damals für Arbeiten an oder mit Lasern vergeben. Maiman blieb diese Ehrung verwehrt. Einen unauslöschlichen Platz in der Geschichte hat er sich dennoch gesichert.

Im Mai 1960 präsentierte Theodore Maiman in den USA den ersten funktionierenden Laser. Heute wird Lasertechnologie in der Medizin, Industrie und Kommunikation eingesetzt.

„Der Laser ist eine Lösung, die nach einem Problem sucht.“ Diese Aussage stammt keineswegs von einem Kritiker, wie ihr sarkastischer Unterton vermuten ließe. Es war der Erfinder des Lasers selbst, der amerikanische Wissenschaftler Theodore Maiman, der nicht so recht an den praktischen Nutzen seiner Entwicklung glauben wollte. Am 16. Mai 1960 führte er Kollegen den ersten funktionierenden Laser der Welt vor. Damit bestätigte er die technische Machbarkeit dessen, was Albert Einstein mehr als 40 Jahre zuvor theoretisch postuliert hatte. Den 50. Jahrestag seiner Erfindung erlebt der 2007 verstorbene Maiman zwar nicht mehr. Doch den unaufhaltsamen Siegeszug des Lasers als unverzichtbares Hilfsmittel in Wissenschaft und Technik verfolgte er stets mit Genugtuung.

Mit Hilfe von Lasern werden Augenoperationen durchgeführt, Metallbleche verschweißt oder Tunnelröhren vermessen. In der Kommunikationstechnologie spielen sie ebenso eine Rolle wie im Motorenbau. Und auch die reine Grundlagenforschung findet immer neue Fragestellungen. Was den Laser zu einem derart außergewöhnlichen Gerät macht, ist die Tatsache, dass er einerseits universell anwendbar ist. Dass er sich andererseits aber auch ganz präzise für bestimmte Anwendungen optimieren lässt.

Grenzenlose Anwendungen des Lichtstrahls

Diese Kombination aus Universalität und Spezialität begründet seine Attraktivität. Möglichen Anwendungen scheinen kaum Grenzen gesetzt. Was umso erstaunlicher ist, als ein Laser im Wesentlichen nichts anderes tut, als Licht abzustrahlen. Hochenergetisches Licht freilich, das es in sich hat. Das Funktionsprinzip des Lasers ist in seinem Namen codiert. Das Akronym steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Zu Deutsch etwa: Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Zur Erzeugung von Laserlicht werden Atome eines sogenannten „aktiven Mediums“ mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Die Elektronen der Atome absorbieren die Strahlung und gelangen dadurch auf ein höheres Energieniveau. Normalerweise würden sie nach kurzer Zeit in den Grundzustand zurückfallen und Licht der ursprünglichen Wellenlänge abgeben. Bringt man hingegen ein angeregtes Atom dazu, ein weiteres Lichtteilchen zu absorbieren, wird dadurch die zeitgleiche Emission beider Lichtteilchen erzwungen, noch bevor das erste spontan emittiert ist.

Theodore Maiman verwendete als aktives Medium seines Originallasers einen Rubin. Heute gibt es zahlreiche verschiedene Lasertypen, die sich durch ihr aktives Medium sowie die Art der Anregung voneinander unterscheiden.

Gegenüber Sonnenlicht oder Glühbirnenstrahlung weist Laserlicht zwei wesentliche Unterschiede auf. Zum einen sind sämtliche Lichtwellen eines Laserstrahls exakt gleich ausgerichtet (Kohärenz).

Wie Soldaten beim Defilee bewegen sie sich räumlich und zeitlich streng synchron in dieselbe Richtung. Zum anderen weisen die Wellen eine feste Frequenz auf, was sich in einer bestimmten Farbe bemerkbar macht (Monochromasie). Die Verstärkung der kohärenten und monochromatischen Lichtwellen realisiert man technisch durch einen Resonator. Typischerweise handelt es sich um einen Aufbau aus zwei Spiegeln, zwischen denen das Wellenpaket hin und her reflektiert und sich dabei sukzessive verstärkt. Einer der beiden Spiegel ist halbdurchlässig. Er lässt deshalb ein wenig Strahlung durch – den legendären Laserstrahl im engeren Sinn. So weit die Theorie. In der Praxis muss man zusätzlich dafür sorgen, dass sich stets mehr Atome im angeregten Zustand befinden als im Grundzustand. Das passiert durch das „Pumpen“, eine spezielle Form des Energieeintrags mittels Gasentladung, elektrischer Anregung oder durch einen zusätzlichen Laser.

So anschaulich die zahlreichen Anwendungen des Lasers auch sind – die Grenzen zwischen reiner Wissenschaft und industriell verwertbarer Produktentwicklung lassen sich in der Laserphysik weniger scharf ziehen als in anderen Bereichen.

„Das Schöne am Laser ist, dass man mit den gleichen Konzepten sowohl anwendungsorientierte als auch Grundlagenforschung betreiben kann“, sagt Gottfried Strasser vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. Er arbeitet an der Entwicklung der Quantenkaskadenlaser, einem der weltweit am stärksten beforschten Themen innerhalb der Laserphysik.

Neue Laser ohne Kühlung

Quantenkaskadenlaser arbeiten im Frequenzbereich zwischen mittlerem Infrarot und Terahertzstrahlung. Der Clou dabei: Die gewünschte Wellenlänge des emittierten Lichtes lässt sich nach Wunsch einstellen. Dazu lässt man mehrere Hundert nanometerdicke Halbleiterschichten übereinander wachsen, zwischen denen definierte Energieabstände bestehen. „Stellen Sie sich eine Kugel vor, die über mehrere Stufen nach unten rollt“, erklärt Strasser das Prinzip bildlich. „Je höher eine einzelne Stufe, desto lauter ist der Aufprall der Kugel. Und wir können durch den Fertigungsprozess die Höhe jeder einzelnen Stufe exakt einstellen.“ Ein Ziel ist es, die Energie des Lasers so moderat zu halten, dass er bei Raumtemperatur funktioniert, ohne eine eigene Kühlung zu benötigen.

Anwendungen dafür bietet etwa die chemische Analyse mittels Spektroskopie. Einerseits ist die Messauflösung höher als bei üblicher Spektroskopie. Andererseits können auf einem Quantenkaskadenlaser mehrere Wellenlängen eingesetzt werden, was seinen Einsatzbereich erhöht. „Es gibt wohl keinen Chemiker, der an dieser Technologie nicht interessiert ist“, sagt Strasser.

Auch der Innsbrucker Quantenphysiker Rainer Blatt ist kein Unbekannter in der internationalen Laserszene. „Für mich ist der Laser in erster Linie ein Werkzeug, um mehr über das Verhalten von Atomen zu erfahren“, sagt der Professor am Institut für Experimentalphysik. Gemeinsam mit seinem Kollegen Piet Schmidt veröffentlichte er Ende März in der Fachzeitschrift Nature Physics die Resultate zu ihrer Arbeit an einem Laser, der nur aus einem einzelnen Atom – einem Calcium-Ion – besteht.

Einatomiger Laser

Dieser Laser weist sowohl „klassisches“ als auch quantenmechanisches Verhalten auf. So führt verstärktes Pumpen zu einem Effekt der Selbstverstärkung. Ganz so, wie man es von makroskopischen Lasern kennt. Unter bestimmten Bedingungen andererseits gehorcht das System den oft kontraintuitiven Regeln der Quantenwelt. Zum Beispiel lassen sich dann immer nur einzelne Lichtteilchen einbringen und der Selbstverstärkungseffekt bleibt aus. Ab einer gewissen Anregungsstärke kommt es außerdem zu quantenmechanischen Überlagerungen und der Laser erlischt.

Für Blatt ist der einatomige Quantenlaser eine Zwischenstufe. Ziel seiner Forschung ist ein Bauteil, das gezielt Quanteninformationen verstärkt. „Zum Übertragen von Quanteninformationen braucht man das Licht einzelner Atome“, sagt Blatt. „Unser Laser ist ein Schritt auf dem Weg dorthin.“

Zumindest äußerlich haben gegenwärtige Laser nur mehr wenig mit der eher klobigen Erfindung Theodore Maimans von 1960 gemein. Ein Dutzend Nobelpreise wurde seit damals für Arbeiten an oder mit Lasern vergeben. Maiman blieb diese Ehrung verwehrt. Einen unauslöschlichen Platz in der Geschichte hat er sich dennoch gesichert.