Laser Wiki - Wie weit ist die Lasertechnologie wirklich?

Laser sind erstaunliche Lichtstrahlen, die stark genug sind, um meilenweit in den Himmel zu zoomen oder Metallklumpen zu durchschneiden. Obwohl sie noch recht junge Erfindungen zu sein scheinen, begleiten sie uns tatsächlich schon über ein halbes Jahrhundert: Die Theorie wurde 1958 aufgestellt; der erste praktische Laser wurde 1960 gebaut. Damals waren Laser aufregende Beispiele für Spitzenwissenschaft: Geheimagent 007, James Bond, wurde 1964 im Film Goldfinger von einem Laserstrahl fast in zwei Hälften geteilt. Aber außer den Bond-Bösewichten wusste niemand, was man mit Lasern machen sollte; berühmterweise wurden sie als "eine Lösung, die nach einem Problem sucht" beschrieben. Heute haben wir alle Laser zu Hause (in CD- und DVD-Spielern), in unseren Büros (in Laserdruckern) und in den Geschäften, in denen wir einkaufen (in Strichcode-Scannern). Unsere Kleidung wird mit Lasern geschnitten, wir fixieren damit unser Augenlicht, und wir senden und empfangen E-Mails über das Internet mit Signalen, die Laser über Glasfaserkabel abfeuern. Ob es uns bewusst ist oder nicht, wir alle benutzen Laser den ganzen Tag lang, aber wie viele von uns verstehen wirklich, was sie sind oder wie sie funktionieren?

Die Grundidee eines Lasers ist einfach. Es ist eine Röhre, die das Licht immer und immer wieder bündelt, bis es in einem wirklich starken Strahl austritt. Aber wie geschieht das genau? Was geht im Inneren eines Lasers vor? Sehen wir es uns genauer an!

Laser sind mehr als nur starke Taschenlampen. Der Unterschied zwischen gewöhnlichem Licht und Laserlicht ist wie der Unterschied zwischen den Wellen in der Badewanne und den riesigen Wellen auf dem Meer. Sie haben wahrscheinlich schon bemerkt, dass Sie ziemlich starke Wellen erzeugen können, wenn Sie Ihre Hände in der Badewanne hin und her bewegen. Wenn Sie Ihre Hände im Gleichschritt mit den Wellen bewegen, die Sie machen, werden die Wellen immer größer und größer. Stellen Sie sich vor, dies einige Millionen Mal im offenen Ozean zu tun. Bald würden Sie bergige Wellen haben, die sich über Ihren Kopf erheben! Ein Laser macht etwas Ähnliches mit Lichtwellen. Er fängt mit schwachem Licht an und fügt immer mehr Energie hinzu, so dass die Lichtwellen immer konzentrierter werden.

Wenn Sie auch nur einen Laser in einem wissenschaftlichen Labor gesehen haben, werden Sie sofort zwei sehr wichtige Unterschiede bemerkt haben:

Wo eine Taschenlampe "weißes" Licht erzeugt (eine Mischung aus allen verschiedenen Farben, die durch Lichtwellen aller verschiedenen Frequenzen erzeugt wird), erzeugt ein Laser so genanntes monochromatisches Licht (von einer einzigen, sehr präzisen Frequenz und Farbe - oft helles Rot oder Grün oder eine unsichtbare "Farbe" wie Infrarot oder Ultraviolett).
Wo sich ein Blitzlichtstrahl durch eine Linse in einen kurzen und ziemlich unscharfen Kegel ausbreitet, schießt ein Laser einen viel engeren, schmaleren Strahl über eine viel größere Entfernung (wir sagen, er ist stark kollimiert).

Es gibt noch einen dritten wichtigen Unterschied, den Sie sicher nicht bemerkt haben:

Wo die Lichtwellen in einem Blitzlichtstrahl alle durcheinander geraten (wobei sich die Wellenberge einiger Strahlen mit den Tälern anderer vermischen), sind die Wellen im Laserlicht genau im Gleichschritt: der Wellenberg jeder Welle ist mit dem Wellenberg jeder anderen Welle ausgerichtet. Wir sagen, Laserlicht ist kohärent. Stellen Sie sich einen Blitzlichtstrahl als eine Menschenmenge von Pendlern vor, die schiebend und drängend den Bahnsteig eines Bahnhofs hinunter drängt; im Vergleich dazu ist ein Laserstrahl wie eine Parade von Soldaten, die alle genau im Gleichschritt marschieren.

Diese drei Dinge machen Laser zu präzisen, starken und erstaunlich nützlichen Energiestrahlen.

Bevor Sie verstehen können, wie ein Laser funktioniert, müssen Sie wissen, wie ein Atom Licht abgeben kann. Wenn Sie sich nicht sicher sind, wie dies geschieht, werfen Sie in unserem einführenden Artikel über Licht einen Blick in den Kasten, wie Atome Licht erzeugen.

Ein Laser ist effektiv eine Maschine, die Milliarden von Atomen dazu bringt, Billionen von Photonen (Lichtteilchen) auf einmal herauszupumpen, so dass sie sich zu einem wirklich konzentrierten Lichtstrahl ausrichten.

Was braucht man, um einen Laser herzustellen?
Wir brauchen zwei grundlegende Teile:

Eine Ladung von Atomen (ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas) mit Elektronen, die wir stimulieren können. Dies wird als Medium oder manchmal auch als Verstärkungs- oder "Gain"-Medium bezeichnet (denn Gain ist ein anderes Wort für Verstärkung).
Etwas, mit dem wir die Atome stimulieren können, wie z.B. eine Blitzröhre (wie die Xenon-Blitzlampe in einer Kamera) oder ein anderer Laser.

Ein typischer roter Laser würde einen langen Kristall aus Rubin (das Medium, das in der Abbildung unten als roter Balken dargestellt ist) mit einer Blitzröhre (gelbe Zick-Zack-Linien) enthalten, die darum gewickelt ist. Die Blitzröhre sieht ein wenig wie ein fluoreszierendes Lichtband aus, nur ist sie um den Rubinkristall gewickelt und blinkt hin und wieder wie die Blitzlampe einer Kamera.

Wie erzeugen die Blitzröhre und der Kristall einen Laserstrahl?
» Eine elektrische Hochspannungsversorgung lässt die Röhre ein- und ausblitzen.
» Jedes Mal, wenn die Röhre blinkt, "pumpt" sie Energie in den Rubinkristall. Die von ihr erzeugten Blitze injizieren Energie in Form von Photonen in den Kristall.
» Die Atome im Rubinkristall (große grüne Kleckse) saugen diese Energie in einem Prozess auf, der als Absorption bezeichnet wird. Atome absorbieren Energie, wenn ihre Elektronen auf ein höheres Energieniveau springen. Nach einigen Millisekunden kehren die Elektronen auf ihr ursprüngliches Energieniveau (Grundzustand) zurück, indem sie ein Lichtphoton abgeben (kleine blaue Kleckse). Dies wird als spontane Emission bezeichnet.
» Die Photonen, die die Atome abgeben, rasen im Rubinkristall mit Lichtgeschwindigkeit auf und ab.
» Von Zeit zu Zeit stimuliert eines dieser Photonen ein bereits angeregtes Atom. Wenn dies geschieht, gibt das angeregte Atom ein Photon ab, und wir erhalten auch unser ursprüngliches Photon zurück. Dies nennt man stimulierte Emission. Nun hat ein Photon des Lichts zwei Photonen erzeugt, also wurde das Licht verstärkt (in seiner Stärke erhöht). Mit anderen Worten, die "Lichtverstärkung" (eine Erhöhung der Lichtmenge) wurde durch "stimulierte Emission von Strahlung" verursacht (daher der Name "Laser", denn genau so funktioniert ein Laser!)
» Ein Spiegel an einem Ende der Laserröhre sorgt dafür, dass die Photonen im Inneren des Kristalls hin- und herreflektiert werden.
» Ein Teilspiegel am anderen Ende der Röhre lässt einige Photonen in den Kristall zurückprallen, einige aber auch wieder entweichen.
» Die entweichenden Photonen bilden einen sehr konzentrierten Strahl von starkem Laserlicht.