Laser

Wie erzeugen Laser Licht?

Wenn das alles ist, was du über Laser wissen willst, kannst du jetzt aufhören zu lesen oder weiter unten auf der Seite zu den Lasertypen springen.

In diesem Abschnitt werden die gleichen Punkte aus dem obigen Kasten etwas ausführlicher und etwas „theoretischer“ behandelt.

In Büchern liest man oft, dass „Laser“ für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission steht. Das ist ein komplizierter und verwirrender Begriff, aber wenn man ihn langsam auseinander nimmt, ist er eigentlich eine sehr klare Erklärung dafür, wie Laser ihre superstarken Lichtstrahlen erzeugen.

Spontane Emission

Fangen wir mit dem „R“ von Laser an: Strahlung.Die Strahlung, die Laser erzeugen, hat nichts mit gefährlicher Radioaktivität zu tun, dem Zeug, das Geigerzähler zum Klicken bringt, das Atome ausspucken, wenn sie zusammenstoßen oder auseinanderfallen. Laser erzeugen elektromagnetische Strahlung, genau wie gewöhnliches Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlen und Infrarotstrahlung. Sie wird zwar immer noch von Atomen erzeugt, aber auf eine ganz andere Art und Weise, nämlich indem Elektronen in ihnen auf- und abhüpfen („emittieren“). Wir können uns vorstellen, dass die Elektronen in den Atomen auf Energieniveaus sitzen, die ein bisschen wie Sprossen auf einer Leiter sind. Normalerweise sitzen die Elektronen auf dem niedrigstmöglichen Niveau, dem sogenannten Grundzustand des Atoms. Wenn man genau die richtige Menge an Energie abfeuert, kann man ein Elektron eine Stufe höher, auf die nächste Sprosse der „Leiter“, verschieben. Das nennt man Absorption, und in seinem neuen Zustand ist das Atom zwar angeregt, aber auch instabil. Es kehrt sehr schnell in den Grundzustand zurück, indem es die absorbierte Energie als Photon (Lichtteilchen) abgibt. Wir nennen diesen Vorgang spontane Strahlungsemission: Das Atom gibt ganz von selbst (spontan) Licht ab (emittiert Strahlung).

Foto: Von der Kerze über die Glühbirne und das Glühwürmchen bis zur Taschenlampe funktionieren alle herkömmlichen Formen des Lichts durch den Prozess der spontanen Emission. In einer Kerze regt die Verbrennung (die chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Brennstoff, in diesem Fall Wachs) Atome an und macht sie instabil. Sie geben Licht ab, wenn sie in ihren ursprünglichen (Grund-)Zustand zurückkehren. Jedes Photon, das durch spontane Emission in der Kerzenflamme erzeugt wird, unterscheidet sich von jedem anderen Photon, weshalb eine Mischung aus verschiedenen Wellenlängen (und Farben) entsteht, die „weißes“ Licht ergibt. Die Photonen treten in zufälligen Richtungen aus, mit Wellen, die nicht zueinander passen („phasenverschoben“), weshalb Kerzenlicht viel schwächer ist als Laserlicht.

Stimulierte Emission

Normalerweise hat ein typisches Bündel von Atomen mehr Elektronen in ihrem Grundzustand als in ihrem angeregten Zustand, was ein Grund dafür ist, dass Atome nicht spontan Licht abgeben.Aber was wäre, wenn wir diese Atome anregen würden – sie mit Energie vollpumpen würden -, so dass sich ihre Elektronen in angeregten Zuständen befinden. In diesem Fall wäre die „Population“ der angeregten Elektronen größer als die „Population“ in ihren Grundzuständen, so dass es viele Elektronen gäbe, die bereit wären, Lichtphotonen zu erzeugen. Wir bezeichnen diese Situation als Populationsinversion, weil der übliche Zustand der Atome vertauscht (invertiert) wird. Nehmen wir nun an, wir könnten unsere Atome für eine Weile in diesem Zustand halten, so dass sie nicht automatisch in ihren Grundzustand zurückspringen (ein vorübergehend angeregter Zustand, der als Metastabilisierung bezeichnet wird). Dann würden wir etwas wirklich Interessantes finden. Wenn wir ein Photon mit genau der richtigen Energie durch unsere Atome schießen, springt eines der angeregten Elektronen in den Grundzustand zurück und gibt sowohl das Photon ab, das wir eingeschossen haben, als auch das Photon, das durch die Zustandsänderung des Elektrons entsteht. Da wir Atome anregen, um Strahlung aus ihnen herauszuholen, wird dieser Prozess stimulierte Emission genannt. Wir erhalten zwei Photonen, nachdem wir ein Photon hineingeschossen haben, und verdoppeln damit unser Licht und verstärken es (vergrößern es). Diese beiden Photonen können andere Atome dazu anregen, weitere Photonen abzugeben, so dass wir bald eine Kaskade von Photonen – eine Kettenreaktion – erhalten, die einen brillanten Strahl aus reinem, kohärentem Laserlicht aussendet. Wir haben hier das Licht durch stimulierte Strahlungsemission verstärkt – daher der Name Laser.

Artwork: Wie Laser in der Theorie funktionieren: Links: Absorption: Feuert man Energie (grün) in ein Atom, kann man ein Elektron (blau) vom Grundzustand in einen angeregten Zustand versetzen, was in der Regel bedeutet, dass es weiter vom Kern (grau) weggeschoben wird. Mitte: Spontane Emission: Ein angeregtes Elektron springt auf natürliche Weise in seinen Grundzustand zurück und gibt dabei ein Quant (Energiepaket) als Photon (grünes Wackeln) ab. Rechts: Stimulierte Emission: Feuert man ein Photon in die Nähe einer Gruppe angeregter Atome, kann man eine Kaskade identischer Photonen auslösen. Ein Lichtphoton löst viele aus, so dass wir es hier mit einer Lichtverstärkung (Erzeugung von mehr Licht) durch stimulierte Emission von (elektromagnetischer) Strahlung zu tun haben – LASER!

Was macht Laserlicht so anders?

Wenn Laser so Licht erzeugen, warum erzeugen sie dann eine einzige Farbe und einen kohärenten Strahl? Das liegt an der Vorstellung, dass Energie nur in festen Paketen vorhanden sein kann, von denen jedes ein so genanntes Quantum ist. Es ist ein bisschen wie beim Geld. Man kann Geld nur in Vielfachen der grundlegendsten Einheit seiner Währung haben, die ein Cent, ein Penny, eine Rupie oder was auch immer sein mag. Man kann nicht ein Zehntel eines Cents oder ein Zwanzigstel einer Rupie haben, aber man kann 10 Cents oder 20 Rupien haben. Dasselbe gilt für die Energie, und das ist besonders im Inneren der Atome zu beobachten.

Wie die Sprossen einer Leiter befinden sich die Energieniveaus in den Atomen an festen Plätzen mit Lücken dazwischen. Man kann seinen Fuß nicht irgendwo auf eine Leiter setzen, sondern nur auf die Sprossen; und genau so kann man Elektronen in Atomen nur zwischen den festen Energieniveaus bewegen. Um ein Elektron von einem niedrigeren auf ein höheres Niveau springen zu lassen, muss man ihm eine bestimmte Energiemenge (ein Quantum) zuführen, die der Differenz zwischen den beiden Energieniveaus entspricht. Wenn die Elektronen von ihrem angeregten Zustand in den Grundzustand zurückkehren, geben sie dieselbe Energiemenge in Form eines Lichtphotons einer bestimmten Farbe ab. Bei der stimulierten Emission in Lasern erzeugen die Elektronen eine Kaskade identischer Photonen – identisch in Energie, Frequenz und Wellenlänge -, weshalb das Laserlicht monochromatisch ist. Die erzeugten Photonen entsprechen Lichtwellen, deren Wellenberge und -täler sich aneinanderreihen (mit anderen Worten, sie sind „phasengleich“) – und das macht Laserlicht kohärent.

Typen von Lasern

Foto: Laser – wie die meisten von uns sie kennen: Dies ist der Laser und die Linse, die die Scheiben in einem CD- oder DVD-Player abtasten. Der kleine Kreis unten rechts ist eine Halbleiter-Laserdiode, während der größere blaue Kreis die Linse ist, die das Licht des Lasers liest, nachdem es von der glänzenden Oberfläche der Disc abprallt.

Da wir viele verschiedene Arten von Atomen auf viele verschiedene Arten anregen können, können wir (theoretisch) viele verschiedene Arten von Lasern herstellen.In der Praxis gibt es nur eine Handvoll gängiger Arten, von denen die fünf bekanntesten Festkörperlaser, Gaslaser, Flüssigfarbstofflaser, Halbleiterlaser und Faserlaser sind.

Festkörper, Flüssigkeiten und Gase sind die drei Hauptzustände der Materie und liefern uns drei verschiedene Arten von Lasern. Festkörperlaser sind wie die, die ich oben beschrieben habe. Das Medium ist so etwas wie ein Rubinstab oder ein anderes festes kristallines Material, und eine Blitzröhre, die darum gewickelt ist, pumpt die Atome mit Energie voll. Um effektiv arbeiten zu können, muss der Festkörper dotiert werden, ein Prozess, bei dem einige Atome des Festkörpers durch Ionen von Verunreinigungen ersetzt werden, wodurch er genau das richtige Energieniveau erhält, um Laserlicht mit einer bestimmten, präzisen Frequenz zu erzeugen. Festkörperlaser erzeugen Strahlen mit hoher Leistung, in der Regel in sehr kurzen Pulsen. Gaslaser hingegen erzeugen kontinuierliche, helle Strahlen, wobei sie Verbindungen von Edelgasen (in so genannten Excimer-Lasern) oder Kohlendioxid (CO2) als Medium verwenden und durch Strom gepumpt werden. CO2-Laser sind leistungsstark und effizient und werden in der Regel zum Schneiden und Schweißen in der Industrie eingesetzt. Flüssigfarbstofflaser verwenden als Medium eine Lösung organischer Farbstoffmoleküle, die von einer Bogenlampe, einer Blitzlampe oder einem anderen Laser gepumpt werden. Ihr großer Vorteil ist, dass mit ihnen ein breiteres Spektrum an Lichtfrequenzen erzeugt werden kann als mit Festkörper- und Gaslasern, und sie können sogar „abgestimmt“ werden, um verschiedene Frequenzen zu erzeugen.

Während Festkörper-, Flüssigkeits- und Gaslaser in der Regel groß, leistungsstark und teuer sind, sind Halbleiterlaser billige, winzige, chipähnliche Geräte, die in Dingen wie CD-Playern, Laserdruckern und Barcode-Scannern verwendet werden. Sie funktionieren wie eine Kreuzung zwischen einer herkömmlichen Leuchtdiode (LED) und einem herkömmlichen Laser. Wie eine LED erzeugen sie Licht, wenn Elektronen und „Löcher“ (eigentlich „fehlende Elektronen“) umherhüpfen und sich verbinden; wie ein Laser erzeugen sie kohärentes, monochromatisches Licht. Deshalb werden sie manchmal auch als Laserdioden (oder Diodenlaser) bezeichnet. Mehr über sie erfahren Sie in unserem separaten Artikel über Halbleiterlaserdioden.

Schließlich wirken Faserlaser ihre Magie im Inneren von Glasfasern; ein dotiertes Glasfaserkabel wird sozusagen zum Verstärkermedium. Sie sind leistungsstark, effizient und zuverlässig und machen es einfach, Laserlicht dorthin zu leiten, wo es gebraucht wird.

Wofür werden Laser verwendet?

Als Theodore Maiman den ersten praktischen Laser entwickelte, ahnten nur wenige, wie wichtig diese Geräte einmal werden würden. Goldfinger, der James-Bond-Film aus dem Jahr 1964, bot einen verlockenden Ausblick auf eine Zukunft, in der Industrielaser sich wie von Zauberhand durch alles hindurchschneiden konnten, was ihnen in den Weg kam – sogar durch Geheimagenten! Im selben Jahr berichtete die New York Times über die Verleihung des Nobelpreises für Physik an den Laserpionier Charles Townes und stellte fest, dass „ein Laserstrahl zum Beispiel alle Radio- und Fernsehprogramme der Welt sowie mehrere hunderttausend Telefongespräche gleichzeitig übertragen könnte. Er wird ausgiebig zur Entfernungsmessung und Raketenverfolgung genutzt“. Mehr als ein halbes Jahrhundert später gehören Anwendungen wie diese – Präzisionswerkzeuge, digitale Kommunikation und Verteidigung – immer noch zu den wichtigsten Einsatzgebieten von Lasern.

Foto: Jedes Mal, wenn er ein Dokument ausdruckt, regt der Laserdrucker auf Ihrem Schreibtisch Zillionen von Atomen an! Der Laser in seinem Inneren zeichnet ein sehr präzises Bild der zu druckenden Seite auf eine große Trommel, die die Tinte (Toner) aufnimmt und auf das Papier überträgt.

Werkzeuge

Schneidewerkzeuge, die auf CO2-Lasern basieren, sind in der Industrie weit verbreitet: Sie sind präzise, leicht zu automatisieren und müssen im Gegensatz zu Messern nie geschärft werden. Wo früher Stoffstücke von Hand geschnitten wurden, um z. B. Jeans herzustellen, werden heute Stoffe von robotergesteuerten Lasern zerschnitten. Sie sind schneller und genauer als Menschen und können mehrere Stoffstärken auf einmal schneiden, was die Effizienz und Produktivität steigert. Die gleiche Präzision ist auch in der Medizin wichtig: Ärzte setzen Laser routinemäßig am Körper ihrer Patienten ein, sei es zum Sprengen von Krebstumoren, zum Veröden von Blutgefäßen oder zur Korrektur von Sehproblemen (Laser-Augenoperationen, Reparaturen von Netzhautablösungen und Katarakt-Behandlungen erfordern alle den Einsatz von Lasern).

Kommunikation

Laser bilden die Grundlage für alle Arten von Digitaltechnologie des 21. Jedes Mal, wenn Sie Ihre Einkäufe durch einen Barcode-Scanner im Supermarkt ziehen, verwenden Sie einen Laser, um einen gedruckten Barcode in eine Nummer umzuwandeln, die der Kassencomputer versteht. Wenn Sie eine DVD ansehen oder eine CD anhören, prallt ein Halbleiterlaserstrahl von der sich drehenden Scheibe ab und wandelt das aufgedruckte Datenmuster in Zahlen um; ein Computerchip wandelt diese Zahlen in Filme, Musik und Ton um. Zusammen mit Glasfaserkabeln werden Laser häufig in einer Technologie verwendet, die als Photonik bezeichnet wird und bei der Lichtphotonen zur Kommunikation eingesetzt werden, z. B. um riesige Datenströme über das Internet hin- und herzuschicken.Facebook experimentiert derzeit mit dem Einsatz von Lasern (anstelle von Radiowellen), um bessere Verbindungen zu Weltraumsatelliten herzustellen, was zu höheren Datenraten und einem wesentlich verbesserten Internetzugang in Entwicklungsländern führen könnte.

Foto: Sind Laserwaffen die Zukunft? Das ist das Laserwaffensystem (LaWS) der US Navy, das 2014 an Bord der USS Ponce getestet wurde. Mit einer solchen Laserwaffe gibt es keine teuren Kugeln oder Raketen, sondern nur einen endlosen Vorrat an stark gerichteter Energie. Foto von John F. Williams mit freundlicher Genehmigung der US Navy.

Verteidigung

Das Militär ist seit langem einer der größten Nutzer dieser Technologie, vor allem bei lasergesteuerten Waffen und Raketen.Trotz ihrer Popularisierung in Filmen und im Fernsehen blieb die Science-Fiction-Idee von Laserwaffen, die einen Feind schneiden, töten oder blenden können, bis Mitte der 1980er Jahre eine Fantasie. 1981 zitierte die New York Times sogar einen „militärischen Laserexperten“ mit den Worten: „Es ist einfach dumm. Man braucht mehr Energie, um einen einzelnen Menschen mit einem Laser zu töten, als um eine Rakete zu zerstören.“ Zwei Jahre später wurden Laserwaffen mit großer Reichweite offiziell zur Grundlage der umstrittenen Strategischen Verteidigungsinitiative (SDI) von US-Präsident Ronald Reagan, besser bekannt als das „Star Wars-Programm“. Ursprünglich sollten unter anderem weltraumgestützte Röntgenlaser eingesetzt werden, um ankommende feindliche Raketen zu zerstören, bevor sie Schaden anrichten konnten. Nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion und dem Ende des Kalten Krieges wurde dieser Plan jedoch nach und nach ad acta gelegt.

Dennoch haben Verteidigungswissenschaftler weiter daran gearbeitet, laserbasierte Raketen von der Science-Fiction in die Realität zu überführen. Die US-Marine begann 2014 mit ersten Tests des Laserwaffensystems (LaWS) an Bord des Schiffes USS Ponce im Persischen Golf. Mit Hilfe von Festkörperlasern, die von LEDs gepumpt werden, sollte es feindliche Ausrüstung kostengünstiger und präziser als herkömmliche Raketen beschädigen oder zerstören. Die Tests erwiesen sich als erfolgreich, und die Marine kündigte Verträge zum Bau weiterer LaWS-Systeme im Jahr 2018 an.

Foto: Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien haben den leistungsstärksten Laser der Welt, die National Ignition Facility (NIF), für die Kernforschung entwickelt. In einem 10-stöckigen Gebäude, das eine Fläche so groß wie drei Fußballfelder einnimmt, werden mit 192 separaten Laserstrahlen bis zu 500 Billionen Watt Leistung erzeugt (100-mal mehr Energie als jeder andere Laser) und Temperaturen von bis zu 100 Millionen Grad erzeugt. NIF hat insgesamt 3,5 Milliarden Dollar gekostet und soll in den nächsten 30 Jahren die Spitzenforschung im Nuklearbereich vorantreiben. Links: Einer der beiden Laserschächte in der National Ignition Facility. Rechts: So funktioniert es: Die Strahlen des Lasers werden auf ein kleines Brennstoffpellet in einer Kammer konzentriert, um hohe Temperaturen zu erzeugen (wie im Inneren von Sternen). Die Idee ist, eine Kernfusion zu erzeugen (Atome zu verbinden) und eine enorme Menge an Energie freizusetzen. Bildnachweis: Lawrence Livermore National Laboratory.