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Laserspektroskopie : Der rasante Weg in das leuchtende Zeitalter

Laserforschung im Labor des Max-Planck-Instituts von Nobelpreisträger Theodor Hänsch. Bild: mpi für quantenoptik, Garching

Der Laser ist noch nicht einmal so alt wie die Lindauer Tagung. Anfangs war er eine Lösung für ein Problem, das es noch nicht gab. Heute wird er überall gebraucht. In der Inselhalle ließen zwei Pioniere die Erfolgsgeschichte der besonderen Lichtquelle Revue passieren.

          Manche Erfindungen liegen einfach in der Luft. Sie scheinen auf den Wissenschaftler zu warten, der zur richtigen Zeit die zündende Idee hat. So war es am Morgen des 16. Mai 1960, als Theodore Maiman und sein Assistent, Charles Asawa, bei den Hughes Research Laboratories einen verspiegelten Rubinkristall mit einer hellen Blitzlampe beleuchteten. Der zwei Zentimeter lange Rubinstab emittierte daraufhin im Takt der Blitzlampe rote Lichtpulse in eine feste Richtung. Maiman wusste sofort, was das zu bedeuten hatte: Er hatte den ersten funktionsfähigen Laser gebaut, jene Lichtquelle, die von der Medizin über die Telekommunikation und Unterhaltungselektronik bis zur Messtechnik und zur industriellen Fertigung alle Lebensbereiche erobert hat. Es gibt Lasergeräte für fast jede Wellenlänge. Die rasante Entwicklung der Laserphysik ließ Nicolaas Bloembergen am Montagnachmittag vor hundert Studenten Revue passieren.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Pionier der Laserspektrokopie

          Der gebürtige Däne, der im Jahr 1981 den Nobelpreis für seine bahnbrechenden Arbeiten zur Laserspektroskopie erhielt, gilt als Begründer der nichtlinearen Optik. Er hatte in den sechziger Jahren an der Harvard University in Cambridge (Massachusetts) ein Verfahren entwickelt, die Frequenz von Laserlicht über einen breiten Bereich kontinuierlich zu verändern und auch Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums - etwa im Infrarot und Ultraviolett - zu erzeugen.

          Bloembergen, der noch selbstbeschriebene Folien auf einen Overheadprojektor legte, konnte nicht beantworten, warum Maiman für den Rubinlaser niemals den Nobelpreis erhalten hat. Dabei hatte der Ingenieur, dem die Konkurrenten von den Bell-Labs oder IBM und aus Russland im Nacken saßen, das richtige experimentelle Gespür. Er setze als einziger auf den Festkörper Rubin. Maiman 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 Verstärkung einer Lichtwelle durch stimulierte Emission funktioniert nur, wenn sich mehr Atome im angeregten Zustand als im Grundzustand aufhalten.

          Von Gaslasern zur Laserdiode

          Kaum war die Nachricht von der Erzeugung des ersten Laserlichts in der Welt, präsentierten die Forscher von den Bell Labs ihren eignen Rubinlaser, der deutlich besser arbeitete als der Prototyp von Maiman. Noch im gleichen Jahr entwickelte man dort den Helium-Neon-Laser. Dieser Gaslaser erzeugte erstmals kontinuierliche rote und infrarote Strahlung. Die Energie wurde durch eine elektrische Entladung erzeugt, das optische Pumpen durch Stöße zwischen den Helium- und Neonatomen bewerkstelligt. Wenig später wurden der erste Stickstoff- und der Kohlendioxidlaser gebaut. Im Jahr 1962 wurde die erste Laserdiode entwickelt - ein Festkörperlaser, der aus dem Halbleiter Gallium-Arsenid bestand und Licht im nahen Infraroten emittierte. Die Laserdioden begannen, nachdem man die Schwächen beseitigt hatte, in den siebziger Jahren nach und nach den Markt zu erobern. Sie bilden heutzutage das Herzstück der CD- und DVD-Spieler sowie der modernen Registrierkasse.

          Die Anwendungen des Lasers sind mittlerweile so vielfältig wie die existierenden Lasertypen. Während der kleinste Laser dünner ist als ein menschliches Haar, füllen die leistungsfähigsten Lasergeräte ganze Hallen. Bloembergen berichtete von Attosekundenlasern, die mittlerweile Lichtpulse erzeugen, 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 hätte der Nobelpreisträger noch lange weiterführen können.

          Der Lichtzauberer aus München

          Für Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München ist der Laser das ideale Werkzeug für Präzisionsmessungen, wie der Laureat am Dienstagmorgen in seinem Vortrag in der Inselhalle berichtete. Hänsch hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Eigenschaften des Wasserstoffatoms möglichst präzise zu bestimmen. In den siebziger Jahren erwarb er sich an der Stanford University in Palo Alto bei dem Laserpionier Arthur Schawlow das Rüstzeug. Hänsch nutzte schon früh die modernsten Verfahren der Laserspektroskopie, um die Energiezustände des aus einem Elektron und einem Proton bestehenden Wasserstoffatoms möglichst präzise vermessen zu können - extremes schmalbandiges Laserlicht, das sich über einen großen Wellenlängenbereich variieren ließ und ausgeklügelte Methoden, die den störende Einfluss der Bewegung der Atome auf die Spektrallinien ausschalteten. Dank dieser Verfeinerungen hat Hänsch mit seinen Kollegen zunächst in Palo Alto und später in Garching die Frequenz der Spektralinien des Wasserstoffatoms immer genauer gemessen - manche Linien mittlerweile bis auf vierzehn Stellen genau. Die inzwischen erreichte Genauigkeit verblüfft sogar manche Theoretiker, deren Berechnungen mit den Messergebnissen kaum mithalten können.

          Wasserstoff - Prüfstein der Physik

          Aus der Frequenz einzelner Linien konnte Hänsch präzise Werte für den Protonenradius oder die Rydbergkonstante, die bei der Berechnung des Wasserstoffspektrums eine zentrale Rolle spielt - ableiten. Die Präzisionsmessungen erlauben zudem einen Test der Theorie der Quantenelektrodynamik. So hat man die sogenannte Lamb-Verschiebung extrem genau gemessen. Dieser Effekt, hervorgerufen durch den Austausch virtueller Teilchen zwischen Elektron und Proton, führt zu einer Verschiebung der Zustände und damit der Spektrallinien.

          Lichtwellen zählen

          Die Genauigkeit war lange dadurch begrenzt, dass sich die Frequenzen von Lichtwellen nur unzureichend bestimmen ließen. Das Lösung lieferte schließlich der sogenannte Frequenzkamm, den Hänsch und seine Kollegen in den neunziger Jahren entwickelten. Mit dem Instrument war es erstmals möglich, die Billiarden von Schwingungen, die eine Lichtwelle pro Sekunde vollführt, zu zählen und dadurch eine nur ungenau bekannte Frequenz eines Laborlasers präzise zu bestimmen.

          Präzision ist ansteckend

          Dank des Frequenzkamms ist man heute in der Lage, optische Frequenzen mit einer Genauigkeit von neunzehn Stellen stabil zu halten. Damit sind neuartige Atomuhren möglich, in denen nicht mehr die Mikrowellenschwingungen von Cäsiumatome als Taktgeber fungieren, sondern die wesentlich schnelleren optischen Frequenzen von Atomen. Hänsch, der dank einer Stiftungsprofessur unbefristet weiterforschen kann und eine Gruppe von hundert Wissenschaftlern unterhält, berichtete von einer Glasfaserleitung, die derzeit zwischen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig (PTB) und dem MPI für Quantenoptik verlegt wird. Sie soll die optische Atomuhr der PTB mit dem Cäsiumuhr in Garching synchronisieren. Die Präzision der Frequenzmessung erlaubt es, Naturkonstanten daraufhin zu prüfen, ob sie Konstant sind, oder sich nicht mit der Zeit um einen kleinen Betrag ändern. Astronomen verwenden den Frequenzkamm bei der Suche nach Exoplaneten. Durch den Umlauf eines Trabanten, der mit Teleskopen nicht gesichtet werden kann, verschieben sich die Spektrallinien des Sterns auf charakteristische Weise. Die Abweichungen lassen sich mit dem Frequenzkamm nachweisen.

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