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60 Jahre Laser : Als das leuchtende Zeitalter begann

Vom Forschungszentrum des European XFEL in Schenefeld zeichnen am 28.08.2017 grüne Laserstrahlen ihre Bahn in Richtung Hamburg. Sie läuten symbolisch den Start des hellsten Röntgenlasers der Welt ein. Bild: dpa

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.

          5 Min.

          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

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          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.

          Laser-Erfinder Theodore Maiman mit den Ingredienzen seines Rubin-Lasers.

          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.

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