Ein Werkzeug aus Licht

Ohne ihn gäbe es weder Scannerkassen noch CD- oder DVD-Player. Er schweißt Autobleche, korrigiert Kurzsichtigkeit, entfernt Tumore. Der Laser wird dieses Jahr 50 und ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch auch seine Zukunft strahlt.

Außer dem Mikrochip und dem Transistor hat keine andere Erfindung des letzten Jahrhunderts den Alltag so stark beeinflusst wie der Laser. Vor 50 Jahren zündete Theodore Maiman von den Hughes Research Laboratories im kalifornischen Malibu den ersten Laserblitz. Der Aufbau seiner Apparatur basierte auf bis heute verwendeten Prinzipien: Ein Rubinkristallstab mit teildurchlässig verspiegelten Enden wird von einer Blitzlampe spiralförmig umschlungen. Deren grellweißes Licht hebt die im Kristall vorhandenen Chrom-Atome auf eine höhere Energiestufe, was sie instabil macht.

Um wieder möglichst schnell in den stabileren, energetisch niedrigeren Zustand zu kommen, geben sie Photonen ab, die im Kristallstab zwischen den Spiegeln hin und her schwirren. Dabei schlagen sie andere Chrom-Atome aus ihrem energetisch angeregten Zustand heraus, die ebenfalls zwischen den Spiegeln hin und her schwirren. Das Ergebnis dieser Kettenreaktion ist ein intensiver roter Lichtstrahl, der am teildurchlässigen Ende des Rubins austritt.

Bereits im Jahr 1916 hatte Albert Einstein diesen physikalischen Mechanismus als die stimulierte Emission beschrieben: Wenn man in ein Atom, das sich bereits in einem höheren energetischen Zustand befindet, eine bestimmte Lichtenergie hineinschickt, wird dieses dazu angeregt, Licht wieder abzugeben – und zwar mit derselben Richtung und Wellenlänge wie die einfallende Strahlung. Erst um 1950 gruben mehrere Wissenschaftler um Arthur L. Schawlow und Charles H. Townes Einsteins Gedanken wieder aus und entwickelten den Vorläufer des Lasers, den sogenannten Maser.Anders als der Laser sendet dieser Mikrowellen aus. Maimans Verdienst war es, das Prinzip auf den sichtbaren Wellenlängenbereich umzusetzen. Neben den unzähligen Anwendungen, die aus dieser Entwicklung bis heute hervorgegangen seien, so der deutsche Laser-Pionier Herbert Welling, habe der Laser vor allem dabei geholfen, die Physik des Lichtes wirklich zu verstehen. Welling geht davon aus, dass die Möglichkeiten des Allzwecklichtwerkzeugs noch lange nicht ausgeschöpft sind: "Wir haben vom Laser auch in Zukunft noch Außergewöhnliches zu erwarten.

"Theodore Maimans Ur-Laser war ein sogenannter Festkörperlaser. Das aktive Lasermedium bestand aus einem Rubinkristallstab, der spiralförmig von einer Blitzlampe umschlungen wurde. Kurz nach seiner ersten Zündung am 16. Mai 1960 stellte Ali Javan von den Bell Labs bereits den ersten Gaslaser vor. In der Informations- und Telekommunikationstechnik werden heute zumeist Halbleiterlaser verwendet.

Kurz nach Theodore Maimans erster Laserdemonstration kam bereits die Idee auf, mithilfe des Lasers der sogenannten nuklearen Fusion zum Durchbruch zu verhelfen. Das Laboratory of Laser Energetics der University of Rochester war die erste Einrichtung, die daran arbeitete, per Laser eine nukleare Kernverschmelzung herbeizuführen, um so Energie aus Atomkernen zu gewinnen. In der National Ignition Facility im kalifornischen Livermore arbeiten US-Wissenschaftler noch immer an der Laserfusion. Im Herbst 2010 soll die erste Fusionsreaktion gezündet werden.

Der 1984 fertiggestellte Nova Laser am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien galt bis zu seiner Stilllegung im Jahr 1999 als größter funktionierender Laser der Welt. Noch einen weiteren Rekord verbindet man mit ihm: Durch einen Umbau 1996 konnte er mit einem ultrakurzen, intensiven Puls eine Leistung von 1,3 Petawatt erreichen, was bis heute keiner anderen Einrichtung gelang.

An der University of California in Berkeley haben Wissenschaftler dagegen den kleinsten Halbleiterlaser der Welt entwickelt. Mithilfe eines Cadmiumsulfid-Nanodrahts konnte das Team Laseraktivität in einem Volumen erzeugen, das kleiner als ein einzelnes Eiweißmolekül ist. Künftig könnten solche Laser helfen, in Computern schneller Daten zu verarbeiten.

Der Petawatt Laser an der University of Texas ist mit 1,1 Petawatt der derzeit leistungsstärkste Laser der Welt. In ihm existieren Teile des ehemals größten Lasers, dem Nova Laser, weiter. (bsc)