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Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik Townes, Maiman und die Lasertechnik

Ob in der Medizin, beim Autobau, in der Messtechnik, der Unterhaltungselektronik oder an der Supermarktkasse - Laseranwendungen gibt es zuhauf. Wie kaum eine andere Erfindung beeinflusst der Laser mit seiner festgelegten Wellenlänge unseren Alltag. Laserlicht wurde erstmals 1960 erzeugt.

Von: Ein Film von Thomas Ammann

Stand: 07.06.2012

Charles Townes | Bild: BR

Der Laser, eine Lichtquelle mit großer Leistungsdichte, hat sich in der Fertigungstechnik längst ebenso etabliert, wie in der Unterhaltungselektronik und im Handel. Die amerikanischen Physiker Charles Townes und Arthur Schawlow entwickelten ein Vorläufermodell und lieferten dazu eine Theorie, die es ihrem Kollegen Theodore Maiman ermöglichte, 1960 den ersten Laser der Welt zu konstruieren. Dieser bestand aus einem Rubinstab, um den eine schraubenförmig gewickelte Blitzentladungslampe montiert war. Die Bezeichnung für diese ungewöhnliche Lichtquelle ist ein anglo-amerikanisches Kunstwort: L ight A mplification by S timulatet E mission of R adiation.

Schon Albert Einstein hatte die Idee ...

Albert Einstein bewies schon 1916/17, dass sich Materie zu einer spontanen Lichtaussendung anregen lässt. Nach diesem Prinzip wurde in den 1950er-Jahren das "optische Pumpen" entwickelt: Materie wird mit Strahlungsenergie versorgt, die dort gespeichert wird. "Auf Kommando" kann diese Energie dann in sehr kurzer Zeit wieder freigesetzt werden.

Charles Townes und Arthur Schawlow entwickelten auf dieser Basis in den Bell Laboratories einen Mikrowellenverstärker, den sogenannten Maser, der vorübergehend in der Sende- und Empfangstechnik von Satellitenstationen eine große Rolle spielte. Townes und Maiman entwarfen dann eine Theorie, nach der sich mit Hilfe des "optischen Pumpens" auch ein Lichtverstärker bauen ließ - eben der Laser, dessen Konstruktion dann Theodore Maiman gelang.

Ehrung für die Laserpioniere

Charles Townes erhielt 1964 den Physik-Nobelpreis für seine Arbeit im Bereich der Quantenelektronik, die die Konstruktion von Verstärkern nach dem Maser-Laserprinzip ermöglichte. Arthur Scharlow erhielt den Preis 1981 für die Arbeit im Bereich der Laserspektroskopie. Beide teilten sich den Preis mit zwei weiteren Forschern.

Maiman erzeugt das erste Laserlicht

Die Pumpenergie bezog Maiman aus einer schraubenförmig gewickelten Quecksilberdampflampe, ihre Lichtenergie wurde in den Chromatomen eines Rubinstabs gespeichert, der in der Achse der Glaswendel gelagert war. Die Chromatome gaben die gespeicherte Energie zunächst spontan wieder ab. Beim Passieren der abgestrahlten Lichtquanten wurden weitere Atome zu einer induzierten Lichtemission angeregt. Die Enden des Rubinstabes waren verspiegelt, so dass sich zwischen ihnen eine stehende Welle ausbildete, die immer mehr Chromatome zur Lichtabstrahlung veranlasste. Durch diese Anordnung war der entstehende Lichtstrahl streng monochromatisch, parallel und kohärent. Ein Teil der Energie konnte durch eine der beiden Seiten, die halbdurchlässig war, in die Umwelt entweichen. Dieser Energieverlust musste durch erneutes Blitzen der Quecksilberlampe ausgeglichen werden.

Laserlicht beflügelt die Wissenschaft

Die Erfindung des Lasers löste in den 1960er Jahren einen Forschungsboom aus. Bald entdeckte man, dass selbst in Gasentladungslampen durch geeignet angeordnete Spiegel ein Laserstrahl angeregt werden kann. Diese Gaslaser konnten auch im Dauerbetrieb arbeiten. Schließlich gelang es, verspiegelte Leuchtdioden, also Licht aussendende Halbleiterbauelemente, zur Emission von Laserlicht anzuregen. Damit ließen sich sehr kleine Laser mit hohem Wirkungsgrad bauen. Man nahm dabei in Kauf, dass die Qualität des Strahls nicht so gut war wie bei den großen Lasern.

Maimans Erfindung ist massentauglich!

In der Folge wurden Laser für vielfältigste Anwendungen entwickelt: Laserlicht als Messsonde bei Strömungsversuchen, als berührungsloser Abtaststift, als verschleißfreies Schneidwerkzeug, aber auch zum Verschweißen von Metallteilen. Laserlicht überträgt durch Glasfasern Informationen im Bereich von Milliarden Bit/s über Strecken von mehr als 100 Kilometern ohne Zwischenverstärker. Die Massenproduktion von preisgünstigen Laserdioden schließlich hat den CD-Player und in seiner Folge CD-ROM-Laufwerke in Computern und schließlich den DVD-Recorder ermöglicht. Laserlicht verhalf auch der Holografie zum Durchbruch, einer Technik, mit der dreidimensionale Bilder in den Raum projiziert werden können. Kaum eine technische Innovation hat in so kurzer Zeit so vielfältige Anwendungen gefunden wie der Laser und ein Ende der Entwicklung ist noch nicht abzusehen.


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