Die Geschichte des Lasers: Von Einstein bis Gordon Gould

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Die L. A. S. E. R. Technologie ermöglicht die Gestaltung verschiedener Systeme, die in der Lage sind, ein definiertes, im Raum kohärentes Lichtbündel zu emittieren, das dauerhaft zusammenhält. Daraus folgt ein sehr enges Emissionsspektrum (Monochromie) durch optische Verstärkung, die auf einem stimulierten Emissionsprozess elektromagnetischer Strahlung beruht, daher der Name: Light Amplification (by) Stimulated Emission (of) Radiation. Der Begriff ist mittlerweile so weit verbreitet, dass es im Englischen bzw. Deutschen auch das Verb “to lase” bzw. lasern gibt. Mit “lasing” wird die die eigentliche Aktivität der Emission eines Laserstrahls bezeichnet.

In der klassischen Physik versteht man Licht als Überlagerung elektromagnetischer Wellen. Bis Mitte des 20. Jahrhunderts gelang es trotz aller Bemühungen nicht eine Lösung für die Polychromie des Lichts zu finden und das Licht somit für verschiedene Anwendungsbereiche vielseitig und funktional zu nutzen. Mit optischen Vorrichtungen (wie z.B. Filtern) gelang es, die Kohärenz der Strahlungen zu verbessern, aber nicht ohne eine erhebliche Minderung der Strahlenintensität zu verursachen.

Tatsächlich sind auch Laserstrahlen nicht perfekt monochromatisch. Sie sind aber in der Lage fast ihre gesamte Energie in einem sehr schmalen Spektralband zu konzentrieren, was für ein Vielzahl von Anwendungen erhebliche Vorteile mit sich bringt.

Mit dem Aufstieg des Lasers kam dem Licht in der Welt der Industrie eine völlig neue Bedeutung zu: Das enorme Potenzial dieser Technologie war von Anfang an Auslöser für viele Anwendungsbereiche und Gegenstand von Forschungsprojekten.

Die Parameter zur Messung eines Industrielasers sind die Frequenz (in Hertz), die Wellenlänge (in Mikrometern), die Durchschnittsleistung, die Spitzenleistung und die Impulsenergie. Die Wellenlängen, die in der Lasertechnologie am weitesten verbreitet sind, gehen von 0,3 (UV) bis 10 µm (CO2). Sie decken somit die gesamte Bandbrreite von Ultraviolett über das sichtbare Licht bis hin zum infraroten Bereich ab.

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Ein kurzer, geschichtlicher Exkurs

Die Geschichte des Lasers beginnt zweifelsohne 1916 mit Albert Einstein, der die These vertrat, dass an der Bildung einer atomaren Spektrallinie im Wesentlichen drei Prozesse beteiligt sind: die spontane und die stimulierte Emission und die Absorption. Jedem dieser Prozesse ordnete er einen Koeffizienten zu (heute “Einstein-Koeffizient” genannt), bei dem es sich um eine Schätzung der Wahrscheinlichkeit handelt, mit der er eintritt.

Von den ersten Studien dieses Genies dauert es jedoch bis zum Jahre 1950, bis das Team um C. H. Townes das erste funktionierende Gerät baut, das Einsteins Theorien in der Praxis nutzte: Die Technologie wurde als M. A. S. E. R., für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation,bezeichnet.

Diesem konkreten Ansatz folgten weitere Studien mit dem Wunsch, die Grundsätze des MASER auf das sichtbare Licht und den infraroten Bereich zu übertragen. Theodor H. Maiman verdanken wir schließlich die Fertigstellung des ersten Rubin-Impulslasers im Jahre 1960.

Seither eroberte der Laser immer weitere Branchen und die Forschung ist sowohl auf die Entwicklung neuer Laserquellen als auch auf die Verbesserung der Eigenschaften bestehender Quellen ausgerichtet.

Die Patentfrage

Bisher konnte noch nicht eindeutig geklärt werden, wer als eigentlicher Erfinder des Lasers gilt und so gehen auch die Meinungen diesbezüglich teils weit auseinander. So weit, dass der Laser seit dreißig Jahren Gegenstand von Patentstreitigkeiten ist.

Wie bereits erwähnt setzte Theodor H. Maiman Einsteins Forschung fort: Am 16. Mai 1960, nahm der kalifornischen Ingenieur in den Laboren der Hughes Research in Malibu den ersten funktionierenden Laser in Betrieb.

Es handelte sich um einen Festkörperlaser, der einen Rubinkristall nutzte, um einen roten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 694nm und einer Frequenz von 4 x 1014 Hz zu erzeugen.

enfalls im Jahre 1960 bauten Ali Javan, William R. Bennett und Donald Herriott den ersten mit Helium-Neon-basierten Laser, den gasoptischen MASER, der einen Infrarotstrahl erzeugen konnte.

Drei Jahre später stellte K. Patel  in den Bell Laboratories in New Jersey den Kohlendioxidlaser fertig.

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Am bekanntesten ist aber wohl der Physiker Gordon Gould, der sich nach einem Gespräch mit Townes verschiedene Notizen über die optische Nutzung des MASER und den Gebrauch eines offenen Resonanzkörpers machte, den wir bis heute in vielen Lasergeräten vorfinden.

Gordon Gould sah sich als Erfinders des Lasers und hatte seine Notizen bei einem Notar hinterlegt. Allerdings wurde er im Zuge des daraus entstandenen Rechtsstreits vom Patentamt nicht als der rechtmäßige Inhaber der Erfindung anerkannt.

1977 gelang ihm mit dem Patent für das optische Pumpen ein kleiner Teilerfolg. Darüber hinaus war er in den darauffolgenden Jahren an der Erarbeitung zahlreicher Schriftstücke beteiligt, welche die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des Lasers beschrieben: Darunter das Erhitzen und Verdampfen von Materialien, Schweißen, Bohren, Schneiden sowie verschiedene photochemische Anwendungen.

Obgleich er niemals offiziell als Erfinder des Lasers anerkannt wurde,  haben seine späteren Patente und die Studien mit anderen Forschern Gordon Gould zu großem Ruhm verholfen. Er schuf die Grundlagen für die Anwendungsbereiche des Lasers, die wir heute kennen.

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Aufbau eines Lasers

  1. Aktives optisches Medium, d. h. ein Material (Gas, Kristall, Flüssigkeit), das Licht emittiert;
  2. Ein Pumpensystem, das das aktive Medium mit Energie versorgt;
  3. Zwei Spiegel, von denen einer halbreflektierend ist;
  4. Ein optischer Hohlraum bzw. optischer Resonator, der das Licht einfängt;
  5. Ein austretender Laserstrahl

Der Laser nutzt das aktive Medium, das die Fähigkeit besitzt, elektromagnetische Strahlen (Photonen) zu emittieren, wenn es aktiviert wird. Das aktive Medium bestimmt die Wellenlänge.

Das aktive Medium kann gasförmig (z.B. Kohlendioxid, Helium- und Neongemisch), flüssig (Lösungsmittel wie Methanol, Ethanol, Ethylenglykol, die mit chemischen Farbstoffen versetzt werden, z.B. mit Cumarin, Rodamin und Fluorescein) oder fest (Rubin, Neodym oder Halbleiter) sein. Das Pumpsystem versorgt das aktive Medium mit Energie und regt es an, wobei es zur Emission von Photonen kommt. Die Anregung kann erfolgen durch:

  • Optisches Pumpen
  • Elektronische Stöße
  • Penning-Effekt oder -Ionisation
  • Resonanzübertragung von Energie

Die emittierte Strahlung wird normalerweise durch einen optischen Hohlraum mit reflektierenden Innenwänden und einem halbreflektierenden Ausgangsbereich konzentriert. Lediglich diese letzte Fläche lässt den Strahl austreten, der dann durch eine Reihe von Linsen und Spiegeln so ausgerichtet und neu positioniert wird, dass der resultierende Laserstrahl die gewünschte Position, Konzentration und Amplitude aufweist.

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