60 Jahre Laser

Als das leuchtende Zeitalter begann

Von Manfred Lindinger
16.05.2020
, 15:06
Vor 60 Jahren wurde der Laser erfunden. Die Entdeckung lag schon lange in der Luft. Ein junger amerikanischer Ingenieur hatte als erster das richtige experimentelle Gespür und zündete mit einem Rubinkristall die ersten Laserblitze.

Als am 16. Mai 1960 Theodore Maiman und sein Assistent, Charles Asawa, einen verspiegelten Rubinkristall mit einer hellen Blitzlampe beleuchteten, machten sie eine bahnbrechende Entdeckung. Der zwei Zentimeter lange Rubinstab emittierte im Takt der Blitzlampe helle rote Lichtpulse. Maiman wusste sofort, was das zu bedeuten hatte: Er, der Außenseiter, dem viele diese Entdeckung nicht zugetraut hatten, hatte den ersten funktionsfähigen Laser gebaut, jene Lichtquelle, die von der Medizin über die Telekommunikation bis zur Unterhaltungselektronik und zur industriellen Fertigung mittlerweile alle Lebensbereiche erobert hat. Mittlerweile gibt es Laser für fast jede Wellenlänge – vom infraroten und sichtbaren bis zum ultravioletten Spektralbereich.

Eine Erfindung liegt in der Luft

Die Erfindung des Lasers hatte sich schon lange angebahnt. Eine wichtige Voraussetzung hatte Albert Einstein bereits 1917 geschaffen. Damals fand der geniale Physiker heraus, dass Atome zur Emission von Lichtquanten stimuliert werden können, wenn sie zuvor ein Photon entsprechender Wellenlänge absorbieren. Die ausgesandte Strahlung würde dann einfarbig sein, in einer festgelegten Richtung und mit enger Bündelung ausgesandt werden. Jahrzehnte lang versuchten Forscher vergebens, den von Einstein vorhergesagten Effekt der stimulierten Emission nachzuweisen. Den Weg ebnete schließlich die Mikrowellentechnik, die sich aus der Radar- und Hochfrequenztechnik des zweiten Weltkriegs entwickelte. Nach 1945 konzentrierte man sich – vor allem in den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion – auf die Erzeugung und Verstärkung von Strahlung im Mikrometerbereich.

Im Jahr 1951 entwickelte der Physiker Charles Townes an der Columbia University in New York eine Apparatur, mit dem sich Mikrowellen erzeugen und verstärken ließen. Die Apparatur bestand aus einem Hohlraum, durch den ein Strahl von Ammoniak-Molekülen geleitet wurde. Strahlte ein Molekül zufällig eine Mikrowelle ab, wurde diese im Resonator hin- und her reflektiert. Traf die Welle auf andere Moleküle, stimulierte sie diese dazu, ebenfalls Mikrowellen identischer Frequenz auszusenden. Ein Lawineneffekt war die Folge, der zur Verstärkung der Mikrowellenstrahlung führte. Townes hatte mit seinem Mikrowellen-Verstärker die Idee Einsteins von der stimulierten Emission verwirklicht. Townes nannte seine Apparatur deshalb kurz „Maser“, ein Akronym für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Koppelte man die Mikrowelle aus dem Hohlraum aus, erhielt man einen kontinuierlichen, monochromatischen Mikrowellenstrahl.

Der Erfindung folgte schon bald der Wunsch, einen Maser auch für infrarotes und sichtbares Licht zu entwickeln. Der Name des Apparates – „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, kurz Laser – war bereits klar, noch bevor im Dezember 1958 Townes und sein Schwager Arthur Schalow von den Bell Laboratories in Murray Hill ein entsprechendes Konzept für den Laser ersannen. In der Sowjetunion arbeiteten fast zur gleichen Zeit die Physiker Aleksandr Prochorow und Nikolaj Bassow am Lebedew-Institut für Physik in Moskau ebenfalls daran, das Prinzip des Masers auf den optischen Bereich zu übertragen. Der Wettlauf um den Bau des ersten Lasers, an dem sich viele renommierte Institute und Firmen beteiligten, hatte begonnen.

Der Ingenieur mit dem richtigen Gespür

Zunächst galt es ein Medium zu finden, das für die stimulierte Emission von Lichtwellen geeignet war. Viele favorisierten ein Gas aus Atomen. Theodore Maiman setzte dagegen auf den Festkörper Rubin – ein Material, das viele Forscher für ungeeignet hielten. Ungeachtet vieler Rückschläge, hielt Maiman an dem Material fest.

Er hatte beobachtet, dass recht viele Atome im Kristall in den angeregten Zustand übergehen, wenn man mit einer Blitzlampe Energie in den Rubin „hineinpumpt“ – eine wichtige Voraussetzung für einen funktionierenden Laser. Denn die Lichtverstärkung durch stimulierte Emission funktioniert nur, wenn sich mehr Atome im angeregten Zustand als im Grundzustand aufhalten.

Maiman hatte an den Hughes Research Laboratories allerdings nicht die besten Arbeitsbedingungen. Aufgrund entmutigender Berichte aus anderen Forschungsinstituten, die bis dahin erfolglos an einem Laser arbeiteten, untersagten ihm seine Vorgesetzten weitere Forschungen. Erst als er mit Kündigung drohte und privat weiterarbeitete, lenkten seine Arbeitgeber ein und bewilligten ihm für neun Monate einen bescheidenen Etat von 50.000 Dollar sowie einen Assistenten.

Die Bauteile für seinen Laser hatte Maiman gekauft, die spiralförmige Blitzlampe in einem Fotogeschäft, den zwei Zentimeter langen Rubinstab bei einem speziellen Kristallhersteller. Der Rest einen Edelstahlhohlzylinder und die Halterung hatte die Werkstatt gefertigt. Maiman ließ den Rubinkristall an den Enden polieren und mit Silber beschichten. Den Stab führte er in das Innere der Blitzlampe und steckte das Ganze in den Edelstahlzylinder. Als Maiman am 16. Mai 1960 die Lampe anschaltete, bemerkte er, dass der Rubinstab kurze rote Lichtpulse mit einer schmalen spektralen Breite emittierte. Damit besaß die Strahlung eine wesentliche Eigenschaft von Laserlicht.

Ein holpriger Start

Wissend, dass ihm seine Konkurrenten im eigenen Land und in Russland dicht auf den Fersen waren, fasste Maiman seine Arbeitsergebnisse hastig zusammen und reichte sie bei den renommierten „Physical Review Letters“ ein. Doch dort lehnte man die Veröffentlichung ab – über die Gründe für diese Entscheidung wird noch heute spekuliert. Vielleicht vermutete man hinter Maimans Arbeit einen weiteren von ungezählten „Maserartikeln“, die damals eingereicht wurden. Doch Maiman ließ sich nicht entmutigen. Er versuchte es anschließend bei „Nature“, wo sein Artikel mit dem Titel „Stimulated Optical Radiation in Ruby“ schließlich am 6. August erschien. Die Veröffentlichung, die man beim Blättern in der Zeitschrift nur allzu leicht übersehen konnte, war ungewöhnlich kurz. Sie füllte gerade mal eine Spalte. Charles Townes sagte später, dass es der wichtigste Artikel gewesen sei, der im letzten Jahrhundert in „Nature“ erschienen war. Doch die Lorbeeren für den Erfolg ernteten wie so oft andere. Im Jahr 1964 wurde die Erfindung des Masers und des Lasers mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Zu den geehrten gehörte Townes und die beiden Russen Prochorow und Bassow. Maiman, der sich inzwischen selbständig gemacht hatte, ging leer aus. Über die Gründe wird noch immer spekuliert. Wurde der Einzelgänger damals gar nicht erst vorgeschlagen? Hatte er zu viele Neider? Erst viele Jahre später wurde Maimans Leistung anerkannt und vielfach geehrt.

Vor allem von den Bell Labs erwuchsen ihm 1960 harte Konkurrenten. Kaum war die Nachricht von der Erzeugung des ersten Laserlichts in der Welt, präsentierten die Forscher in Murray Hill ihren eignen Rubinlaser. Noch im gleichen Jahr entwickelte man dort einen Laser, der erstmals kontinuierliche rote und infrarote Strahlung aussandte. Die Energie wurde durch eine elektrische Entladung erzeugt, das Lasermedium war ein Gasgemisch aus Helium und Neon. Wenig später bauten Forscher den Stickstoff- und den Kohlendioxidlaser.

Im Jahr 1962 schuf Robert Hall von General Electric in Schenectady (New York) die erste Laserdiode. Es war ein Festkörperlaser, der aus dem Halbleiter Gallium-Arsenid bestand und Licht im nahen Infraroten emittierte. Die Halbleiterlaser begannen, nach dem man die Kinderkrankheiten beseitigt hatte, in den siebziger Jahren nach und nach den Markt zu erobern. Sie bilden heutzutage das Herzstück eines jeden CD- und DVD-Spielers sowie jeder modernen Registrierkasse.

Ein Lösung für viele Probleme

Ob in der Unterhaltungsindustrie, Telekommunikation, Chirurgie, Industrieproduktion oder in der Messtechnik – die Anwendungen des Lasers sind heutzutage so vielfältig wie die verschiedenen Lasertypen, die auf dem Markt sind. Während der kleinste Laser dünner ist als ein menschliches Haar, füllen die leistungsfähigsten Lasergeräte ganze Hallen. Attosekundenlaser erzeugen mittlerweile Lichtpulse, die weniger als eine Billionstel Sekunde dauern. Damit lassen sich die extrem schnellen Vorgänge in den Elektronenhüllen der Atome verfolgen. Intensive Dauerstrichlaser vermessen – vom Boden oder vom Flugzeug aus – die chemischen Vorgänge in der Atmosphäre. Die Liste ließ sich noch beliebig weiterführen. Keiner von den Laserpionieren hatte wohl eine Vorstellung von dem, welche Anwendungsmöglichkeiten sich für den Laser eröffnen sollten. Im Jahr 1960 galt der Laser noch als Lösung eines Problems, das noch zu suchen sei. Sechzig Jahre später gibt es fast keine technische und wissenschaftliche Fragestellung mehr, die der Laser nicht beantworten könnte.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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