Laser - die andere Lichtquelle

16. März 2010, 12:52
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Die von Einstein vorhergesagte Technologie wurde vor 50 Jahren erstmals experimentell verwirklicht

Laserlicht ist anders: Extrem gebündelt und einfärbig, ist das am 16. Mai vor 50 Jahren vom amerikanischen Physiker Theodore Maiman erstmals verwirklichte Licht etwa aus der Elektronik nicht mehr wegzudenken. Das Besondere am Laser ist der Umstand, dass alle Lichtteilchen (Photonen) absolut im Gleichschritt marschieren. Theoretisch vorhergesagt wurde die heute zigfach angewandte Technologie bereits von Albert Einstein (1879 bis 1955).

Kettenreaktion

Lichtteilchen - Photonen - werden dann von einem Atom ausgesandt, wenn ein Elektron in der Hülle durch Energiezufuhr zuerst auf eine höhere Stufe gehoben wird und anschließend wieder zurückfällt. Für die Erzeugung eines Laserstrahls bedarf es einer doppelten Anregung, gleichsam zweier Energieschübe. Trifft ein Lichtteilchen auf ein bereits angeregtes Atom, wird das nun abgebene Photon in exakt die gleiche Richtung und mit der gleichen Schwingung abgegeben wie das ankommende.

Damit sich die Sache, ähnlich wie bei einer Kettenreaktion, aufschaukelt und schließlich einen gebündelten Strahl in eine exakte Richtung entlässt, sperrt man beim konventionellen Festkörperlaser etwa Kristalle als sogenanntes Medium in eine Art Verstärker aus zwei Spiegeln und pumpt Energie in die Vorrichtung. Deswegen heißt die Sache auch "light amplification by stimulated emission of radiation" ("Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission" oder kurz LASER).

Das Besondere ist nicht nur, dass alle Lichtteilchen im Strahl in die exakt gleiche Richtung - nämlich in der Ebene zwischen den beiden Spiegeln - abgegeben werden. Sie haben auch die gleiche Energie und schwingen absolut im Gleichklang, der Strahl ist einfärbig.

Neben dem Rubin-Laser, wie ihn Maiman konstruierte, wurden später auch Gas-Laser entwickelt, bei denen statt des Kristalls Gase wie Stickstoff oder auch Helium-Neon-Gemische als Medium verwendet werden. Spezielle Entwicklungen erlauben extrem kurze Laser-Pulse, die etwa als eine Art "Lichtmikroskop" zum Beobachten von chemischen und physikalischen Vorgängen eingesetzt werden können.

Halbleiterlaser

Den Durchbruch in Richtung Masseneinsatz von Lasern brachte allerdings erst der Halbleiterlaser. Dabei wird der Strahl nicht mehr optisch mittels Kristallen oder Gasen, sondern elektrisch erzeugt. Die Halbleiter erlauben nicht nur eine extreme Verkleinerung der Geräte, die bewährte Technologie ist auch entsprechend billig.

Je nach gewünschter Anwendung lässt sich die Stärke des Laserstrahls exakt steuern. Vom Infrarot- bis in den Röntgenbereich ist auch die Wellenlänge einstellbar, etwa durch die Wahl des Mediums. So lassen sich extrem feine Arbeiten, wie die Abtastung einer CD oder DVD, ebenso erledigen wie das brutale Durchschneiden von Stahl. Selbst in der Medizin - als Skalpell - lässt sich ein Laser einsetzen, indem er erst in einer gewünschten Gewebetiefe seine maximale Wirkung erzielt.

Kühlung

Durch die Präzision der Laserschwingungen lässt sich diese Lichtquelle sogar zum Kühlen einsetzen. Wärme ist - vereinfacht gesagt - nichts anderes als die Bewegung von Teilchen. Durch gezielten Beschuss mit Laserstrahlen lässt sich die Bewegung von Atomen abbremsen, somit tritt eine Kühlung ein. Eingesetzt wird die Methode in der Grundlagenforschung etwa zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensat (BEC) nahe dem absoluten Nullpunkt.

Am anderen Ende der Temperaturskala werden Laser eingesetzt, um die nötigen Temperaturen für eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen. Dazu wird Wasserstoff in den Bereich von Millionen Grad erhitzt. (APA)

 

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