LexiTV : Gleichschritt der Photonen
Dass der Physiker Albert Einstein 1921 den Nobelpreis erhielt, kam nicht unerwartet. Doch wofür bekam der renommierte Forscher den Preis? Den genialen Denker für seine Relativitätstheorie auszuzeichnen, hätte das Nobelpreis-Komitee vor Probleme gestellt: Neider hatten einen Streit über Fragen des Urheberrechts angezettelt.
Also suchte man den Preisgrund woanders: Auch Einsteins Deutung des photoelektrischen Effekts und seine Arbeiten zur stimulierten Photonen-Emission fand das Komitee auszeichnungswürdig. Dennoch, es war eine Art zweite Wahl.
Was weder Einstein noch die Komitee-Mitglieder wissen konnten: Besagte Arbeiten führten zur einer der spektakulärsten Erfindungen in der zweiten Hälfte des Zwanzigsten Jahrhunderts - dem Laser.
Alles auf einer Wellenlänge
Licht hat Kraft, besonders, wenn es gebündelt wird, also im "Gleichschritt" und in ein und dieselbe Richtung marschiert. Der "Gleichschritt" lässt sich aus dem Wellencharakter des Lichts erklären: Laserlicht ist kein Mischmasch aus Wellen verschiedener Längen und demzufolge Farben, wie etwa das Sonnenlicht, sondern es weist nur eine einzige Wellenlänge auf.
Aber Licht besteht entsprechend den Modellannahmen der Wissenschaftler eben auch aus Teilchen. Das Besondere am Laserlicht ist, dass sich alle seine Teilchen mit demselben Richtungssinn bewegen; es gibt keine Diffusion: Noch viele Kilometer von der Quelle entfernt, erzeugt ein Laser einen Lichtpunkt. Grund: Sämtliche Lichtteilchen (Photonen beziehungsweise Quanten) sind gleich und fliegen parallel, statt seitlich abzuweichen!
Quantenschlucker
Wo aber kommt der ziemlich unnatürliche Strahl aus identischen Lichtteilchen her? Anders gefragt: Was ist das Prinzip des Lasers? Um das zu verstehen, muss man wissen, was Lichtquanten in atomaren Strukturen bewirken. Mit anderen Worten, was ist der photoelektrische Effekt?
Dringt ein Photon in die Atomhülle ein und stößt dort mit einem Elektron zusammen, springt letzteres auf ein höheres Energieniveau. Das Elektron "schluckt" den Lichtquant - und hüpft vor lauter Freude ein Niveau nach oben.
Weil jedoch Körper immer zum energieärmsten Zustand streben, wird das Elektron im angeregten Zustand nicht lange bleiben. Es fällt wieder zurück und gibt Energie ab - in Form von Licht. Diese spontane Photonen-Emission, wie etwa in Leuchtstoffröhren, ist für Laserzwecke unbrauchbar, da die abgegebenen Photonen wild in alle möglichen Richtungen fliegen. Solches Licht mag schön weiß sein, viel Kraft besitzt es nicht.
Geklonte Photonen
Wer einen Laserstrahl haben will, muss aus einem Photon viele identische Photonen gewinnen. Das heißt, er muss Photonen klonen. Dabei hilft eine simple Methode: Die Elektronen eines Mediums (zum Beispiel eines Gases) werden mittels Energiezufuhr "aufgepumpt" auf ein höheres Energieniveau. Noch rechtzeitig vor dem Zurückfallen in den Normalzustand, das eigentlich fällig wäre, prasseln Photonen auf sie ein.
Statt sofort wieder in den Normalzustand zurückzufallen, rutschen die Elektronen unter dem Photonen"beschuss" sogar noch ein weiteres Niveau nach oben. Und beim Rückfall, der Sekundenbruchteile später erfolgt, passiert der gewünschte Effekt: Statt lediglich einem einzigen Lichtteilchen gibt jedes Elektron jeweils zwei Photonen ab.
Der Clou: Beide abgegebene Photonen sind Klone des vom Elektron zuletzt "verschluckten", stimulierenden Photons. Ihr Richtungssinn ist gleich, ebenso ihre "Farbe". Im weiten Raum der Elektronenbahnen steckt also die Quelle des Laserlichts!
Für den kompletten Laser braucht man nun nur noch zwei parallel angeordnete Spiegel: Zwischen den Spiegeln rasen die Photonenklone hin und her und prallen immer wieder auf Elektronen des zwischen ihnen liegenden Mediums. Milliarden neuer, identischer Photonen leuchten auf, in Bruchteilen von Sekunden.
Der Spiegeltrick
Per Lawineneffekt erhöht sich die Zahl der hin und her katapultierten gleichen Photonen, bis die im Medium enthaltene Anregungsenergie aus der ersten Energiezufuhr erschöpft ist. Damit der Laserstrahl aus der Apparatur heraus kann, muss einfach einer der Spiegel teildurchlässig zu sein. Durch diesen Spiegel fliegen die "ausgekoppelten" Photonen, diffusionsfrei, farbgleich und mit Durchschlagskraft.
Übrigens: Einstein konnte noch keinen Laser bauen. Das erste "geordnete" Licht kam aus dem halbdurchlässigen Spiegel einer Apparatur, welche am 16. Mai 1960 der US-amerikanische Wissenschaftler Theodore Maiman und dessen Assistent Charles Asawa zum Laufen brachten.
Als Medium diente ein Mineral: Rubin. Das Kunstwort Laser aber (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) weist auf Einsteins theoretische Vorarbeit.
Die Lösung, die ihr Problem fand
Lasertechnik gibt es fast überall: ob in Industrie oder Wissenschaft, ob im Handel oder in der Unterhaltung. Niemand stellt ihre Bedeutung in Frage. Fast unglaublich erscheint daher, dass der Laser zur Zeit seiner Erfindung als bloße Spielerei einzelner Forscher galt. Und doch war es genau so.
"Der Laser ist eine Lösung, die ein Problem sucht", sagte Dr. Theodore Maiman, Angestellter der Hughes Research Laboratories, auf einer Pressekonferenz in Manhattan am 7. Juli 1960. Maiman, heute als Erfinder des Lasers weltbekannt, hatte damals anstrengende Monate hinter sich.
Besitzer der Hughes Research Laboratories und Arbeitgeber von Maiman war der exzentrische Milliardär Howard Hughes. Die Firma, eine Brutstätte für Innovationen, verdankte ihren Erfolg Militäraufträgen und einem Stab außergewöhnlicher Wissenschaftler. Nichtsdestotrotz litt die Arbeit am Laser unter dem Ruf, letztlich nutzlos zu sein.
Im Herbst 1959 gestand man Maiman nach heftigem Streit neun Monate Zeit und einen Etat von gerade mal 50.000 Dollar zu. Bezahlt werden mussten davon das Gehalt des Forschers sowie eines Assistenten und sämtliche technischen Aufwendungen.
Am 16. Mai 1960 waren die Arbeiten abgeschlossen. Maiman und dessen Assistent Charles Asawa verfügten nun über einen kompakten funktionstüchtigen Rubinlaser, der bequem in jede Aktentasche passte. Eine Gerätebeschreibung reichte Maiman zunächst bei den renommierten "Physical Review Letters" ein. Deren Redaktion lehnte die Veröffentlichung ab.
Zum Glück nahm wenige Wochen danach die hochkarätige britische Fachzeitschrift "Nature" das Manuskript an und druckte es im August 1960. Viel später bezeichnete ein Wissenschaftshistoriker den kleinen Artikel als "wichtigsten unter all den wundervollen Beiträgen", welche das prestigeträchtige Journal in den hundert Jahren seines Bestehens herausgebracht habe.
Maiman gründete 1962 seine eigene Firma Koral Corporation, weil die Hughes Laboratories ihn immer noch nur unzureichend unterstützten. Kaum jemand glaubte damals, dass Maimans "Lichtspielerei" Zukunftspotenzial haben könne. Das US-amerikanische Patent erhielt der Erfinder am 14. November 1967.
Bald allerdings erreichten Gaslaser und Farbstofflaser eine Reife, die sie für industrielle Zwecke nutzbar machte. Ab den 1980er Jahren führten Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu hoch effektiven Halbleiter-Laserdioden. Nun begann die Ausbreitung des Lasers in beinahe alle Lebensbereiche.
Theodore Maiman starb am 5. Mai 2007 in Vancouver im Alter von 79 Jahren an einer seltenen, genetisch bedingten Hautkrankheit. Geholfen hatte ihm während der letzten Lebensphase seine eigene Erfindung, als er sich im Jahr 2000 in München einer Laseroperation unterzog.