Frage:

Wie funktioniert eigentlich ein Laser?

Antwort:

In der heutigen Zeit sind Laser ein wichtiger, kaum mehr wegzudenkender Bestandteil unserer Gesellschaft. Die unzähligen Anwendungen reichen von alltäglichen Dingen wie dem Lesen von CDs und DVDs bis hin zur Verwendung als ultrapräzise Schneidewerkzeuge in der Medizin. Das gigantische Spektrum von Lasertechniken – von denen dies nur eine bescheidene Auswahl ist – basiert auf der Eigenschaft des Lasers auf besonders präzise und vorhersagbare Weise mit Materie zu interagieren. Aber was macht den Laser zu einem solch genauen Werkzeug und was unterscheidet ihn von anderen Lichtquellen wie einer Glühbirne oder der Sonne?

Das Geheimnis liegt in den Bestandteilen des Laserlichts, den Photonen. Das sind kleine Energiepakete, die sich mit Lichtgeschwindigkeit von der Lichtquelle fortbewegen. Je nach dem wie viel Energie ein einzelnes Photon mit sich trägt, erscheint das entsprechende Licht in einer ganz spezifischen Farbe. So besteht rotes Licht aus sehr energiearmen Photonen und blaues Licht aus sehr energiereichen Photonen. Schalte ich meine Schreibtischlampe ein, so werden verschiedenste Photonen mit allen möglichen Energien kreuz und quer in den Raum geschleudert. Dabei erscheint uns das Licht, weil es eine Mischung aus mehreren Farben ist, als weiß.

Bei einem Laser hingegen gelingt es, Photonen zu erzeugen, die einander gleichen wie ein Ei dem anderen und dabei alle mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung fliegen. Der Lichtweg ist somit auf exakteste Weise kontrollierbar. Das Laserlicht eignet sich deshalb auch für Distanzmessungen wie sie etwa beim Datenauslesen nötig sind. Dabei werden kleinste Höhenunterschiede auf einer DVD oder CD bestimmt. Zudem kann man beinahe nach Belieben die Energien des Laserslichts maßschneidern, was entscheidet, wie bestimmte Materialen mit dem Laserlicht wechselwirken. So wird bei einer LASIK-Operation zur Korrektur der Fehlsichtigkeit ein anderes Laserlicht verwendet als beim Festschweißen einer sich ablösenden Netzhaut. Wie allerdings gelingt es, so viele gleichartige Photonen zu erzeugen?

Um diese Frage zu klären, muss man wissen, wie Photonen überhaupt entstehen. Wie schon erwähnt, sind Photonen Energiepakete und werden als solche von Elementarteilchen wie beispielsweise von den Elektronen innerhalb eines Atoms abgestrahlt. Diese Elektronen können innerhalb des Atoms verschiedene Energiezustände einnehmen. Gehen sie von einem höheren Energieniveau in ein tieferes über, entsteht dabei ein Photon. Seine Energie entspricht genau dem Energie-Unterschied zwischen den Elektronenniveaus. Das Abstrahlen kann zufällig passieren oder aber durch ein bereits vorhandenes Photon verursacht werden, wenn dessen Energie genau der Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus entspricht. Diese „stimulierte Emission“ ist das Grundprinzip des Lasers.

Allerdings gibt es dabei ein Problem: Denn die stimulierte Emission kann nur dann stattfinden, wenn Elektronen in dem höheren Niveau vorhanden sind. Um das im Laserbetrieb zu gewährleisten, werden die Elektronen durch spezielle Verfahren zunächst auf ein drittes, noch höheres Energieniveau gebracht. Von dort fallen die Elektronen sehr schnell auf das zweithöchste Niveau hinunter, wo sie verweilen, bis sie durch ein Photon mit der passenden Energie zur stimulierten Emission angeregt werden. Dann strahlen sie eine exakte Kopie des stimulierenden Photons ab. Da letzterer Vorgang sehr viel seltener verläuft als der Übergang vom höchsten auf das zweithöchste Niveau, stauen sich die Elektronen auf dem zweiten Niveau und stehen so stets zur stimulierten Emission zu Verfügung. Zusammengefasst lässt sich also die Erzeugung gleichartiger Photonen dadurch erklären, dass diese Elektronen dazu verleiten, exakte Zwillinge abzustrahlen.

In der Praxis wird dieses System durch ein Material verwirklicht, das Elektronen auf einem Energieniveau zu horten vermag. Beispiele reichen von Festkörpern wie etwa dem Rubin über Halbleiter bis hin zu Gasen wie Kohlendioxid oder Helium und Neon.

In der Zukunft werden Laser einen noch weit größeren Einfluss auf unser Leben haben. Lichtwellenleiter, lasergeführte fahrerlose Fahrzeuge oder Holographie zur Datenspeicherung werden unseren Alltag womöglich erleichtern. Des Weiteren werden viele technische Fortschritte indirekt durch die Anwendung des Lasers in der Forschung getragen.

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