Das Geheimnis des Laserstrahls – Ein ganz besonderes Licht

Ein normaler Tag voller Laser

Eigentlich war es ein Tag wie jeder andere. Und wie jeder andere Tag war dieser Tag in Kathis Leben von einer faszinierenden Licht-Technologie geprägt, die den meisten von uns nur allzu selbstverständlich erscheint.

Kathi fuhr an diesem Tag mit dem Tram durch Zürich, ihre volle Einkaufstasche auf den Knien. Die Waren, welche nun schwer in ihren Schoss drückten, hatte sie im Einkaufszentrum mit den modernen Kassenautomaten erstanden, an welchen die Kunden ihre Einkäufe Stück für Stück selbst über das gläserne Feld mit dem roten Laserstrahl zogen.

Unter Kathis Einkäufen befand sich eine DVD-Box mit Folgen der Fernsehserie „The Big Bang Theory“, die sie ansehen wollte, sobald sie zu Hause wäre. Das DVD-Abspielgerät würde die Daten auf den Discs mit einem Laser abtasten und die verrückte Nerd-Clique auf dem Fernsehschirm zum Leben erwecken. Mit einem Schmunzeln auf den Lippen dachte Kathi an die Folge, in welcher die Jungs auf dem Dach ihres Mietshauses einen leistungsstarken Laser auf einen Spiegel auf dem Mond richten und den reflektierten Laserstrahl mit einem Detektor wieder auffangen – zum grossen Erstaunen von Nachbarin Penny und ihrem einfältigen Freund Zak…

Abrupt wurde Kathi aus ihren Gedanken gerissen. „S’Billett, bitte!“ Ein Fahrkartenkontrolleur ragte vor ihr auf, seinen Handcomputer abwartend gezückt. Rasch kramte Kathi ihr Billett hervor, das der Kontrolleur sogleich unter den Laser-Scanner seines Computers beförderte. Ein Piep und ein „Beschtä Dank!“ später war sie schon wieder allein.

Doch die Ruhe währte nicht lange. Ganz plötzlich kam das Tram mit einem heftigen Ruck zum Stehen. „Unsere Weiterfahrt verzögert sich um mehrere Minuten. Grund ist ein unvorhergesehener Zwischenfall – wir entschuldigen die Unannehmlichkeiten“, lautete die sogleich folgende Durchsage. Was Kathi nicht wusste: Soeben war der Fahrer ihres Trams von irgendwelchen Rowdies mit einem Laser-Pointer geblendet worden – was in jüngerer Zeit leider viel zu oft vorkam – und hatte eine Notbremsung ausgelöst.

Kathi seufzte und liess ihren Blick umher wandern, während sie auf die Weiterfahrt wartete. Dabei blieb sie an der Werbetafel einer Augenklinik hängen: Klare Sicht dank Laser-OP zum günstigen Preis…

‚Ohne Laser geht es heute wirklich nicht mehr‘, ging es Kathi durch den Kopf. Aber was macht das Licht eines Lasers eigentlich so besonders?

Das klingt sehr wissenschaftlich für eine so alltägliche Technologie, doch es beschreibt die ‚besondere‘ Funktionsweise einer Laser-Lichtquelle sehr gut. Da wird also Licht verstärkt durch die Abgabe von Strahlung…also Licht. Und Licht, das sich selbst verstärkt, erhält damit einige besondere Eigenschaften, die es von „normalem“ Licht unterscheiden – und so spannend für die Technik machen.

Laserlicht strahlt parallel

In „Farben, Licht und Glanz – Warum die Welt und bunt erscheint“ habe ich bereits beschrieben, wie Licht aus der Elektronenhülle von Atomen abgestrahlt wird: Lichtquanten (auch Photonen genannt) werden von angeregten Elektronen abgegeben, die von den oberen Etagen eines atomaren Hochhauses nach unten, in den Grundzustand, zurückkehren. Diese spontan abgegebenen Lichtquanten breiten sich willkürlich in alle Richtungen aus: Eine nackte Glühbirne erhellt Wände, Boden und Decke eines Raumes, eine Taschenlampe, deren Glühbirne von einem Hohlspiegel umgeben ist, erzeugt immerhin noch einen immer weiter werdenden Lichtkegel.

Das Lichtbündel, das aus einem Laser kommt, strahlt jedoch schnurgeradeaus ohne merklich breiter zu werden – im Fall des Experiments der Jungs aus „Big Bang Theory“ sogar von der Erde bis zum Mond und wieder zurück! Alle Lichtquanten oder -wellen, die einen Laser verlassen, breiten sich also in genau dieselbe Richtung aus.

In einem Laser wird nämlich ausgenutzt, dass Lichtquanten, die von Elektronen auf dem Rückweg in den Grundzustand abgegeben werden, andere Elektronen dazu stimulieren sich ebenfalls auf den Rückweg zu machen und den Stimulierenden gleiche Lichtquanten abzugeben. Das stimulierende und das neue Lichtquant setzen ihre Reise daraufhin gemeinsam in die ursprüngliche Richtung des stimulierenden Lichtquants fort.

Wenn sich also genügend Elektronen im gleichen angeregten Zustand aufhalten – also bereit für den gleichen Rückweg sind um ein gleiches Lichtquant abzugeben – können einige wenige Lichtquanten eine regelrechte Kettenreaktion auslösen, da durch Anregung neu entstandene Lichtquanten wiederum die Abgabe weiterer Lichtquanten stimulieren können. Und alle breiten sich in die gleiche Richtung aus.

Stimulierte Licht-Abgabe: Elektronen werden aus dem Grundzustand in einen angeregten Zustand „gepumpt“ (1). Ein vorbei kommendes Lichtquant (2) kann das Elektron zur Rückkehr in den Grundzustand (3) unter Abgabe eines gleichartigen Lichtquants stimulieren.

In einer Laser-Lichtquelle geht es also zu wie auf einem Platz voller Menschen, über welchen jemand nach Osten läuft und einzelnen erzählt, am Ostende gebe es etwas umsonst. Diese einzelnen machen sich nach Osten auf und erzählen auf ihrem Weg die gute Nachricht weiter. Andere schliessen sich ihnen daraufhin an und verbreiten die Nachricht ihrerseits, und so fort, sodass sich binnen kurzer Zeit ein Grossteil der Menschenmasse nach Osten bewegt.

Damit es soweit kommt, muss der Platz jedoch erst einmal gefüllt, also Elektronen der Atome in der Laser-Lichtquelle (auch Lasermedium genannt) zum Umzug auf die gewünschte obere Etage bewegt werden. Damit sich die gute Nachricht vom Freibier im Osten durch die ganze Menschenmasse ausbreiten kann, muss diese Menge gross und dicht genug sein. Für die Elektronen im Lasermedium heisst das: Es müssen genügend Elektronen im angeregten Zustand sein (diesen Umstand nennen die Physiker „Besetzungsinversion“).

Um eine Besetzungsinversion zu erreichen wird Energie von aussen in das Lasermedium gespeist, zum Beispiel durch eine „normale“ Blitzlichtquelle, die die Atome ‚beleuchtet‘, oder in Form von elektrischer Energie aus einer Stromquelle. Ganz allgemein wird diese Energiequelle von aussen „Pumpe“ genannt: sie pumpt die Elektronen in den Atomen des Lasermediums nach ‚oben‘.

So füllt die Pumpe das Lasermedium nicht nur mit Elektronen in den oberen Etagen, sie sorgt im Dauerbetrieb auch für stetigen Nachschub, sodass stets genügend Elektronen in Bereitschaft für den Rückweg verfügbar sind.

Laser-Strahlen sind phasengleich

Die Lichtquanten bzw. -wellen, welche ihren „Verursachern“ auf ihrem Weg folgen, breiten sich nicht nur in die gleiche Richtung wie diese aus. Sie beginnen ihren Weg auch in der gleichen ‚Phase‘: Mit einem Wellenberg macht sich ein neuer Wellenberg auf den Weg, mit einem Wellental ein neues Wellental. So breiten sich wohlgeordnet stets Wellenberge mit Wellenbergen und Wellentäler mit Wellentälern aus. Derart geordnete (phasengleiche oder kohärente) Lichtwellen eignen sich dafür, Interferenzmuster, also Erscheinungen, die durch Überlagerung von Wellen entstehen, zu erzeugen und damit zu beweisen, dass Licht aus sich ausbreitenden Wellen besteht.

Phasenverschiebung und Phasengleichheit: Alle gezeigten Sinus-Wellen haben die gleiche Wellenlänge und Auslenkung. Die oberen drei Wellen sind jedoch phasenverschoben: Die senkrechte Linie würde bei einer Bewegung nach rechts die Wellenberge bzw. -täler zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchlaufen. Die beiden unteren Wellen sind phasengleich (kohärent): Wellenberge bzw. -täler stehen übereinander, sodass die Senkrechte die Wellen stets bei der gleichen Auslenkung schneidet. In der Lasertechnik gibt es bei der Phasengleichheit ein wenig Spielraum: Auch nur annähernd phasengleiche Laser-Lichtwellen gelten als „kohärent“ – allerdings ist die Ausbreitungsstrecke, über welche diese Nachlässigkeit ohne messbare Folgen bleibt (die „Kohärenzlänge“), begrenzt.

Laser-Strahlen sind einfarbig

Damit irgendeine „Pumpe“ ausreichend Elektronen gleichzeitig in den angeregten Zustand befördern kann, um eine Rückkehr-Kaskade auszulösen (und aufrecht zu erhalten), muss jedes Elektron für sich lang genug im oberen Stockwerk bleiben. Das tun die Elektronen jedoch meistens nicht: Sie kehren nur zu schnell von selbst in den Grundzustand zurück und geben ihr Lichtquant dabei ungerichtet ab.

Deshalb bestehen Lasermedien aus besonderem Material: Darin gibt es knapp unterhalb der oberen Etage noch ein Zwischengeschoss, das ein Elektron von oben klammheimlich erreichen kann, ohne ein Strahlungsquant abzugeben (stattdessen wird der zugehörige Energieanteil in Form von Wärme frei). In dem so erreichten Zwischengeschoss kann das Elektron wesentlich länger verbleiben, bevor es endgültig in den Grundzustand zurückkehrt und dabei das gewünschte Lichtquant abgibt.

Lasermedium mit „Zwischengeschoss“: Dieses Schema zeigt zwei mögliche angeregte Zustände (F1 und F2), von welchen ein Elektron ohne Abgabe von Strahlung schnell in das Zwischengeschoss (E) gelangen kann. Dort verbleibt es länger, meist, bis ein Lichtquant der Wellenlänge 694,3 nm vorbei kommt und das Elektron zur Rückkehr in den Grundzustand (A) und damit zur Abgabe eines zusätzlichen Lichtquants der selben Wellenlänge stimuliert. (by Markus Köhler, CC-BY-SA 2.5 auf Wikimedia Commons)

Der Abstand vom Zwischengeschoss zum Grundzustand ist bei allen Atomen im Lasermedium, die an der Lichtkaskade beteiligt sind, der selbe. So haben alle in der Kaskade erzeugten Lichtquanten die gleiche Energie, also die gleiche Wellenlänge bzw. Farbe. Laser, deren Medium nur einen möglichen Energie-Abstand zur Lichtverstärkung bietet, sind folglich einfarbig oder monochromatisch. Es gibt jedoch auch Laser, deren Medium mit mehreren Energie-Abständen funktioniert. Diese strahlen ein Gemisch von Lichtquanten verschiedener Wellenlängen aus und sind damit streng genommen nicht ganz einfarbig.

Laser-Strahlen schneiden durch Dinge

Das ist keine Science-Fiction. Laser-Strahlen können genug Energie haben um Augen-Hornhaut abzutragen, Karies aus Zähnen zu bohren und sogar durch Stahl zu schneiden. Aber wie kommt Laser-Licht zu derart gebündelter Energie?

Laser-Licht kann Gewebe zerstören:Die Bilder zeigen Leberzellen einer Ratte in einem Zellkulturgefäss. Die Zellkultur ist mit Farbstoffen geimpft worden, die unter einem „Laser-Scanning-Mikroskop“ von einem Laser zum Leuchten (Fluoreszieren) angeregt werden. Das abgestrahlte Licht wird durch die vergrössernde Optik von einem Detektor aufgefangen und das Signal per Computer zu einem Bild umgerechnet. Der grüne Farbstoff (Calcein) befindet sich in der Zellflüssigkeit, im Zellkern (grosse runde Flecken) und einigen weiteren Zell-Organellen (hellgrüne Flecken). Der rote Farbstoff (TMRM) befindet sich in den Mitochondrien. Die besonders helle Zelle links wurde unmittelbar vor den Aufnahmen mit dem Laser bei höherer Leistung „beschossen“. In Folge dessen sind die Mitochondrien dieser Zelle beschädigt worden, sodass der rote Farbstoff hinaus und der grüne Farbstoff hinein gelangen konnte (der fein verteilte rote Farbstoff wird in der Zellflüssigkeit vom grünen Farbstoff „überdeckt“). Auf der vergrösserten Aufnahme rechts (ohne die rote Farbspur: die Mitochondrien erscheinen hier schwarz) ist der „Schatten“ des quadratischen Querschnitts dieses Laserstrahls gut zu erkennen. Die Kantenlänge des Querschnitts beträgt nur 20 Tausendstel eines Millimeters! – Der Schaden an den Mitochondrien hat letztendlich zum Zelltod geführt. (Aufnahmen aus dem Spezialisierungspraktikum Medizinisch-Biologische Chemie 2006 am Universitätsklinikum Essen)

Zum Einen entspricht schon die Lichtquanten-Kaskade im Lasermedium einer gebündelten Menge Energie.

Zum anderen ist die röhrenartige Laserlichtquelle vorn und hinten mit einem Spiegel versehen. Die in Längsrichtung abgestrahlten Lichtquanten werden so zwischen den beiden Spiegeln hin- und her reflektiert, sodass ein Lichtquant viele Male an den Atomen des Mediums vorbei kommt und weitere Lichtquanten ‚mitreissen‘ kann. So kann die Lichtkaskade um ein Vielfaches ihres gewöhnlichen Ausmasses verstärkt werden.

Darüber hinaus ist der vordere Spiegel für das Licht teilweise durchlässig. Er wirft nur einen Teil der eintreffenden Lichtquanten zurück in das Lasermedium, während der andere Teil einfach durch den Spiegel hindurch und aus dem Laser hinaus geht. Dieser Teil ist der Laserstrahl, den wir sehen und benutzen können (tatsächlich sehen wir Laserstrahlen nur, wenn sie direkt in unser Auge gerichtet sind oder ihr Licht an irgendetwas (meist Staub oder Nebel) aus ihrer Ausbreitungsrichtung hinaus gestreut wird).

Um eine bestmögliche Verstärkung des Laser-Lichts bei Erhaltung der Phasengleichheit zu erreichen, wird der Abstand zwischen den Spiegeln (und damit die Länge des Lasermediums) so gewählt, dass er einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der erzeugten Lichtquanten entspricht. So bleiben nicht nur die gewünschten Lichtwellen bei der Reflektion in der gleichen Phase, sondern unerwünschte Lichtwellen, die z.B. durch Streuung entstehen, werden quasi aussortiert.

Die so verstärkte Energie reicht allerdings noch nicht ganz um durch harte Materialien wie Stahl zu schneiden. Laserstrahlen, die dazu fähig sind, werden nach ihrer Erzeugung durch ein Linsensystem geleitet, welches sie bündelt, sodass in ihrem Brennpunkt genügend Energie auf engstem Raum zusammenkommt, um die gewünschte Schneidwirkung zu erzeugen.

Woraus baut man also einen Laser?

Der erste Laser, der je gebaut wurde, enthielt einen zylinderförmigen Rubin. Rubine, eine besondere Form des Minerals Korund, bestehen aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), das im Idealfall farblos ist. Ein Rubin-Kristall enthält jedoch zusätzlich Chrom-Atome, die ihm seine rote Farbe verleihen – und eine Kombination von Energie-Niveaus haben, die zur Erzeugung einer Besetzungsinversion und damit einer Licht-Kaskade geeignet sind. Mit einer Blitzlicht-Hülse rund um den Rubin werden die Elektronen der Chrom-Atome in den gewünschten angeregten Zustand gepumpt und wechseln auf das ‚Zwischengeschoss‘, bis sie unter Abgabe roter (694,3 nm) Lichtquanten in den Grundzustand zurückkehren, um erneut ‚hinauf‘ gepumpt zu werden.

Lasermedien können aber ebenso gut flüssig oder gasförmig sein, und Laser-Licht kann heutzutage in praktisch jeder Farbe/Wellenlänge beziehungsweise jedem Wellenlängenbereich erzeugt werden.

In welcher Weise diese Farbenvielfalt zur Unterhaltung eingesetzt werden kann, zeigt dieses Video aus einer Lasershow, die ich vor vielen Jahren in einem bekannten Freizeitpark besuchen durfte (heute gibt es diese Show dort leider nicht mehr).

Besonderes Licht lässt sich vielfältig verwenden

Ein Lichtstrahl, der über lange Strecken einen fast beliebig kleinen Durchmesser behält, lässt sich sowohl zum Abtasten feinster Strukturen – seien es die Linien eines Barcodes oder einzelne Zellen unter dem Mikroskop – als auch als hoch präzises Schneide- oder Fräs-Werkzeug einsetzen – in der Augenchirurgie ebenso wie in der Stahlverarbeitung. Ebenso lassen sich schmal bleibende Laserstrahlen von kleinen Lichtsensoren vollständig wieder auffangen, sodass sie als Lichtschranke Verwendung finden – oder man setzt das punktförmige „Ende“ eines Laserstrahls als beliebig langen „Zeigefinger“ auf der Präsentationsfläche bei einem Vortrag ein.

Physiker gewinnen mit einfarbigen, kohärenten Lasern spannende Einsichten in die Wellennatur des Lichtes, oder mit extrem kurzen Laser-Pulsen die „schnellsten“ Zeitlupenaufnahmen der Welt.

Laserstrahlen sind ausserdem immer wieder schön anzusehen, ob sie als bunte Fächer zu Musik arrangiert oder gar zum „Zeichnen“ von Bildern verwendet werden.

Und wo ist dir zuletzt ein Laser oder Laserstrahl begegnet?

(Artikelbild: nach LASER by 彭家杰 , CC-BY-SA 2.5 auf Wikimedia Commons)