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Laser

Ein scharfes Werkzeug

Vor 60 Jahren leuchtete der erste Laserstrahl - seitdem haben Laser die moderne Wissenschaft und Technik revolutioniert.

Von Dirk Eidemüller

Laser sind aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken. CD-, DVD- und Blue-Ray-Geräte nutzen ebenso Laserstrahlen wie der Warenscanner an der Supermarktkasse. Und in vielen Bereichen sind Laser hinter den Kulissen am Werk. Mit Lasern lassen sich Abstände und Winkel in höchster Präzision über große Distanzen messen. In der Industrie wird mit Hochleistungslasern Stahl geschnitten und geschweißt. Computerchips werden mithilfe von Ultraviolettlasern hergestellt. Ein großer Teil der Kommunikation im Internet läuft über Infrarotpulse aus Halbleiterlasern, die in Glasfaserkabel eingespeist werden. Laser spielen eine wichtige Rolle in der modernen Chirurgie und Augenheilkunde.

Fast noch wichtiger sind Laser in der Wissenschaft. Mit optischen Pinzetten aus Laserstrahlen dirigieren Forscher einzelne Zellen. Dank Laserkühlung untersuchen Quantenphysiker exotische Materiezustände nahe am absoluten Temperatur-Nullpunkt. Ultra-intensive Laserstrahlung lässt Atomkerne verschmelzen wie im Zentrum der Sonne. Nur wenige Gebiete der Naturwissenschaft nutzen heute keine Lasertechnik. Viele mit Nobelpreisen gekrönte Entdeckungen sind nur mit Lasereinsatz möglich geworden.

Auch an der Populärkultur ist der Laser nicht spurlos vorbeigegangen: Der wohl wichtigste Spezialeffekt der Kultserie »Star Wars« sind die Laserschwerter, mit denen sich Luke Skywalker und Darth Vader duellieren - eine geniale Idee, die zwar physikalischen Prinzipien widerspricht, aber eine spannende Kombination der damals noch neuen Lasertechnik mit den Schwertkämpfen der Ritter- und Piratenfilme war.

Ein hellroter Punkt startet das Laserzeitalter

Begonnen hat der Siegeszug der Laserstrahlen vor 60 Jahren am Hughes Research Lab im kalifornischen Malibu, als Theodore Maiman zusammen mit seinem Assistenten Irnee D’Haenens eine faustgroße Kiste anschaltete, die dann einen hellen roten Punkt auf einen Photodetektor warf: Am 16. Mai 1960 erstrahlte das erste von Menschen erzeugte Laserlicht. Hätte man damals jemanden gefragt, wozu das Ganze gut sein soll, hätten alle Beteiligten nur mit den Schultern gezuckt. Das Ganze sei eine »Lösung, die nach einem Problem sucht«, formulierte Irnee D'Haenens gerne, wenn er damals gefragt wurde, worum er an solchen Lichtstrahlen arbeitet. Niemand hatte so recht eine Idee, wo sich Laserstrahlen praktisch anwenden ließen.

Wie skurril die Erfindung des Lasers damals erschien, lässt sich auch an der Publikationsgeschichte ablesen: Zunächst reichte Maiman sein Manuskript bei den »Physical Review Letters« zur Veröffentlichung ein. Die Herausgeber lehnten es jedoch ab - vermutlich war dies mit die gröbste Fehlentscheidung, die sich dieses hochrenommierte Journal je geleistet hat. Die Konkurrenz von »Nature« jedoch nahm die Arbeit an und brachte sie schließlich in der August-Ausgabe 1960. Daraufhin bauten viele Forscher weltweit den Laser nach.

Elektronik-Experte schon als Teenager

Theodore Maimans Vater war Elektroingenieur. Dank der Elektronik-Kenntnisse, die ihm sein Vater mitgab, hatte Maiman schon als Teenager sein eigenes Business laufen. Er reparierte Radios und andere Gerätschaften in der Nachbarschaft. Wie Irnee D‘Haenens einmal in einem Interview erzählte, hätten Vater und Sohn Maiman damals schon um die Wette Audio-Schaltungen gebaut. Gewonnen hatte, wer den besseren Frequenzgang hinbekam. Später an der Universität hatte Theodore Maiman das Glück, bei Willis Lamb promovieren zu können, der den Nobelpreis für den Nachweis eines grundlegenden quantenphysikalischen Effekts erhalten hat. Diese nach ihm benannte Lamb-Verschiebung hat die gesamte moderne Quantentheorie der elektromagnetischen Felder vorangebracht.

Der Laser, den Maiman und D‘Haenens damals zum Laufen brachten, war ein sogenannter Rubinlaser. Die Forscher regten den Rubin mithilfe einer Blitzlichtquelle zum Leuchten an. Die beiden Enden des Edelsteins waren mit einer hochreflektierenden Schicht aus Silber überzogen, wobei die eine Seite ein wenig dünner beschichtet war. Dadurch konnte auf dieser Seite ein wenig Licht austreten. Das Ganze war mit einer glänzend polierten Aluminiumröhre umschlossen.

In dieser Apparatur geschah nun etwas, das Einstein schon 1916 vorhergesehen und 1917 in seiner Grundlagenarbeit »Zur Quantentheorie der Strahlung« publiziert hatte. Wenn Atome in einem passenden Material wie Rubin durch intensive externe Lichtstrahlen selbst zum Leuchten angeregt werden, dann kann jedes von einem Rubinatom ausgesandte Lichtteilchen ein weiteres angeregtes Rubinatom dazu bringen, ebenfalls ein Lichtteilchen auszusenden, das mit der gleichen Wellenlänge schwingt und dessen Schwingung auch in der gleichen Phase ist. Physiker nennen solche Strahlung monochromatisch und kohärent. Derartiges Licht lässt sich hervorragend fokussieren und kann sehr hohe Intensitäten erreichen.

Einsteins Idee klang zwar für viele Jahre theoretisch interessant - ähnlich wie seine Vorhersage von Gravitationswellen. Aber über Jahrzehnte wusste niemand so richtig, wie man ein solches Prinzip praktisch umsetzen könnte. Anfang der 1950er-Jahre gelang es dann amerikanischen Forschern, einen Mikrowellenverstärker zu entwickeln, der auf Einsteins Theorie beruhte. Dieser sogenannte Maser war zwar eine interessante technologische Entwicklung, aber die Einsatzmöglichkeiten waren - und sind - im Vergleich zum Laser sehr beschränkt.

Im Jahr 1957 entwickelten dann Charles Hard Townes und Arthur Leonard Schawlow von den Bell Labs eine Theorie, wie man das vom Maser bekannten Prinzip auf optische Wellenlängen übertragen könnte. Zeitgleich arbeitete Gordon Gould an ähnlichen Problemen, wobei er auf den Namen Laser kam. Heute sind Laser solche Standardgeräte geworden, dass sich eigentlich niemand mehr fragt, wofür der Begriff steht. Er ist das Kürzel für »light amplification by stimulated emission of radiation«, auf Deutsch: »Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung«.

Maiman las die Arbeiten dieser Forscher - und machte sich wie einige andere Forscher daran, einen solchen Laser zu bauen. Ihm gelang es dank seiner elektronischen Kenntnisse und seiner intensiven Beschäftigung mit den Strahlungseigenschaften von Rubin als Erstem, einen funktionierenden Laser zu bauen. Die Konkurrenten an den Bell Labs und an anderen großen Forschungseinrichtungen mussten sich geschlagen geben. Allerdings konnte der Laser von Maiman nur gepulste Strahlung aussenden. Seine Blitzlichtlampe konnte den Rubinlaser immer nur für kurze Augenblicke »pumpen«, wie das Anregen von Laserstrahlung genannt wird. Schon Ende 1960 gelang es dann Forschern an den Bell Labs, auch kontinuierlich strahlende Laser herzustellen.

Gerade einmal ein Jahr später wurde erstmals ein Laser in der Augenheilkunde eingesetzt: Mit der Hilfe eines Rubinlasers gelang es, einen Tumor in der Retina zu zerstören. Und nun stellte sich ein Wettrennen ein, welches Labor den stärksten Laser bauen konnte. Anfangs nahm man die Zahl an Rasierklingen, die ein Laser durchbohren konnte, als Maßstab für die Laserstärke. Zeitungen brachten das neue Gerät auf die Titelseite und spekulierten über »Todesstrahlen« als potenzielle Wunderwaffe.

Geniale Bastler schlagen millionenschwere Konkurrenz

Eine der ersten Anwendungen fand der Laser in der Tat beim Militär: Schon 1967 nutzte die US-Luftwaffe lasergelenkte Bomben im Vietnam-Krieg, um die mangelhafte Zielgenauigkeit zu verbessern. Dann kamen zivile Anwendungen: Ein Jahr später folgte ein Haarentfernungsgerät, das allerdings wegen Sicherheitsbedenken wieder vom Markt zurückgezogen werden musste. Die erste kommerzielle Anwendung von Lasern, die sich durchsetzen konnte, waren Barcode-Scanner in Supermärkten, wie sie ab 1974 zum Einsatz kamen. Und Bands wie Pink Floyd oder The Who nutzten damals schon Laserstrahlen für ihre Lightshow. Ab den 1980er Jahren kamen Laserpointer auf, anfangs allerdings noch sehr exklusiv und Hunderte US-Dollar teuer.

Der Weg zum Laser war für Maiman jedoch steinig. Obwohl die Hughes Research Laboratories, bei denen er beschäftigt war - eine Unterabteilung der Flugzeugfabrik Hughes Aircraft Company -, damals dank gut laufender Militäraufträge und einiger hoch qualifizierter Forscher eine ganze Reihe von Innovationen hervorbrachten, waren sie beim Laser eher knausrig. Maiman hatte bis dahin immerhin schon einen stark miniaturisierten konstruiert, erhielt aber gerade einmal 50 000 Dollar für die Entwicklung eines Laser - und auch das nur, weil er mit Kündigung drohte. Die großen Konkurrenz-Laboratorien hatten Millionen-Budgets. Schon 1961, nur ein Jahr nachdem er den ersten Laser zum Laufen gebracht hatte, quittierte Maiman seinen Dienst und gründete mit Kollegen die erste von mehreren eigenen Laser-Firmen.

Es kann gut sein, dass Maiman hier dem Rat seines Vaters gefolgt ist. Dieser war 40 Jahre lang als promovierter Elektroingenieur bei einem Großunternehmen angestellt und entwickelte dort unter anderem Wechselstrom-Konverter. Einige seiner Erfindungen dort waren durchaus bedeutend, er erhielt aber in der Firma nicht die Anerkennung, die er wohl verdient hatte - und insbesondere auch keine Patentrechte. Wäre er in einer kleineren Firma oder selbstständig gewesen, hätten die Patente ihm wohl viel Geld eingebracht. Deshalb sagte er seinem Sohn, er solle sich lieber ein kleineres Unternehmen suchen, wenn er selbst Dinge entwickeln wolle.

Seitdem hat sich die Laserindustrie rasant entwickelt. Die Forschung konnten immer mehr Materialien als Laserkandidaten identifizieren. Von Gaslasern über Farbstofflaser bis hin zu Faserlasern gibt es heute leistungsstärkere oder feiner einstellbare Lasertypen für alle möglichen Zwecke. Sogar in der Natur entdeckte man Laser: Die Atmosphäre von Mars und Venus sendet - angeregt von der Sonnenstrahlung - mitunter Laserstrahlung aus. Das Gleiche passiert in Gaswolken rund um manche Sterne.

Die Pioniere der Lasertechnik konnten den Siegeszug ihrer Technologie noch miterleben. Der 1927 geborene Maiman wurde im Jahr 2000 mit einer Laseroperation behandelt und konnte auf diese Weise noch dank seiner eigenen Erfindung geheilt werden, er starb 2007 in Vancouver. Den Nobelpreis für die Entwicklung des Laser bekam er nicht, obwohl er zweimal dafür nominiert war. Maiman erhielt aber zahlreiche andere bedeutende Würdigungen. Der ein paar Jahre jüngere Irnee D'Haenens überlebte seinen einstigen Chef noch um einige Monate.

Nur Laserschwerter gibt es bis heute nicht und wird es auch nicht geben - sie stehen aber weiterhin für die Strahlkraft, mit der die Lasertechnik die Fantasie beflügelt.

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