Autor

Hecke Schrobsdorff
Hecke Schrobsdorff

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen

Hecke Schrobsdorff (27 Jahre) heißt im wahren Leben mittlerweile Hendrik Degering und hat am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation sein Physikdiplom absolviert, um eines der Fächer Mathematik, Physik, Informatik, Philosophie, Sportwissenschaften und Pädagogik abzuschließen. Seitdem arbeitet er an seiner Promotion im Rahmen eines Teilprojektes des neuen Bernstein Zentrums, das sich (nicht das gesamte Zentrum, nur das Teilprojekt...) in Zusammenarbeit mit Psychologen der Erforschung von Alterungseffekten bezüglich selektiver Aufmerksamkeit widmet.

Frage:

Wie funktioniert ein Laser?

Antwort:

Laser benutzt heutzutage jeder. Wenn nicht direkt sichtbar, wie im Laserpointer, so doch in diversen Alltagsgeräten, wie zum Beispiel dem CD-Player. Das Tolle an einem Laser ist, dass er Licht genau einer Wellenlänge, also einer Farbe, liefert und sich der dünne Lichtstrahl kaum aufweitet, auch bei sehr großen Abständen. Dadurch ist es viel einfacher, das Licht zu fokussieren, so dass man sehr genau beleuchten kann, aber auch sehr hohe Energien auf kleine Punkte bringen kann.

Das Wort „Laser“ ist eine Abkürzung und heißt: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsaussendung). Um einen Laser zu bauen, ist in erster Linie ein laseraktives Medium erforderlich, das zu stimulierter Emission in der Lage ist. Das sind zum Beispiel Gase, wie im roten Helium-Neon-Laser, der meist in der Schule für Experimente in Physik benutzt wird, aber auch Halbleiter, wie in einem Transistor.

Der Effekt der stimulierten Emission sieht folgendermaßen aus: Wenn ein Lichtstrahl einer bestimmten Farbe, die für das Medium charakteristisch ist, hindurchfällt, wird er verstärkt. Wenn man einen großen Behälter mit diesem Medium hätte und dann von einer Seite einen entsprechenden Lichtstrahl hineinleuchten würde, käme er sehr, sehr hell am anderen Ende heraus. Im Beispiel des Gases wird das hinzukommende Licht erzeugt durch Elektronen, die von einer höheren Schale des Atoms auf eine niedrigere herunterfallen – die übrig bleibende Energie wird zu Licht. Damit das funktioniert, müssen die Elektronen möglichst vieler Atome auf der höheren Schale sitzen, das Material muss mit Energie aufgeladen werden – man spricht dabei vom Pumpen. Im Beispiel des Gaslasers wird das durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erreicht, die eine Gasentladung erzeugt. Wenn das laseraktive Medium nun aber so mit Energie vollgepumpt wurde, dann fallen von Zeit zu Zeit auch Elektronen von alleine wieder auf die untere Schale, ohne dass ein Lichtstrahl vorbeigekommen wäre. Dadurch werden natürlich auch Lichtstrahlen der speziellen Farbe ausgesandt, die dann genauso auf ihrem Weg durch das Medium verstärkt werden wie das Licht, das wir hineingeleuchtet hatten. Das heißt, dass aus so einem Behälter, sagen wir einem Glasgefäß, in dem sich das Gas befindet, in alle Richtungen immer mal wieder helle Lichtstrahlen herauskämen.

Damit die Lichtstrahlen aber stark genug werden können, müssen sie sich auf einer langen Strecke verstärken, und dazu brauchen wir ein sehr großes Gefäß, was dann nicht mehr praktisch ist. Außerdem soll der Laserstrahl immer an derselben Seite aus dem Laser herauskommen. Dazu hat man sich den Trick des Resonators überlegt. Die Idee ist ganz einfach: Man bringt auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Behälters jeweils einen Spiegel an, so dass das Licht sehr oft dazwischen hin- und herlaufen kann, so wie man sich selbst sehr häufig sehen kann, wenn man sich zwischen zwei Spiegel stellt, die an gegenüberliegenden Wänden hängen. Dadurch verstärkt sich genau der Strahl immer mehr, der senkrecht auf die Spiegel trifft, und alle anderen laufen irgendwann seitlich aus dem Resonator heraus, und zwar, bevor sie so stark sind, dass sie Schaden anrichten könnten. Es schafft also nur Licht in einer Richtung, der richtigen, überhaupt stark genug für Laserlicht zu werden.

Zu guter Letzt machen wir den einen der beiden Spiegel, den vorderen am besten, ein ganz wenig durchlässig – sagen wir, er soll jeweils ein Tausendstel des Lichts durchlassen, das auf ihn trifft. Dann bleibt der Hauptanteil des Lichts im Resonator und verstärkt sich dort immer weiter, und es wird immer noch genug Licht in die gewünschte Richtung aus dem Resonator austreten und den Laserstrahl bilden, den wir haben wollen, um zum Beispiel die Oberfläche einer CD abzutasten, ob sich dort ein winziges Loch befindet oder eben nicht.

 
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