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Laser: Das besondere Licht
Was ist ein Laser?
Ein Laser ist ein Gerät, mit dem Licht einer sehr exakt bestimmten Wellenlänge (»Farbe«) und von äußerst hoher Intensität erzeugt wird.
Der wichtigste Bestandteil eines Lasers ist das sog. Lasermedium. Dies bestand beim ersten Laser aus dem Edelstein Rubin, heute gibt es gasförmige, flüssige und feste Lasermedien. Auch die winzigen Siliciumchips der Mikroelektronik sind als Lasermedium geeignet, man spricht dann von sog. Halbleiter- oder Diodenlasern. In Lasermedien vollzieht sich ein verblüffender Effekt der Quantenwelt: Wenig Licht erzeugt viel Licht – physikalisch heißt dies induzierte Ausstrahlung oder auf Englisch »stimulated emission of radiation«. Damit ist auch klar, was »Laser« eigentlich bedeutet: Es ist die Abkürzung für »light amplification by stimulated emission of radiation«, zu Deutsch: Lichtverstärkung durch induzierte Ausstrahlung.
Leider genügt es nicht, ein Lasermedium mit Strom zu versorgen, um Laserlicht zu erhalten. Zwei weitere Bedingungen müssen erfüllt sein. Erstens muss das Lasermedium in gewisser Weise präpariert werden. Das heißt, seine Atome müssen in einen Zustand versetzt werden, in dem wie in einem Dosenstapel im Supermarkt ein einziges, passend »geworfenes« Lichtquant ausreicht, um eine lawinenartige Lichtemission auszulösen. Zweitens muss das Medium von extrem gut reflektierenden Spiegeln umgeben sein. Diese sorgen dafür, dass die ersten ausgelösten Lichtteilchen im Medium bleiben und die Emission von noch mehr Laserlicht bewirken. Im richtigen Moment muss der Spiegel dann durchlässig gemacht werden, um die Lichtlawine herauszulassen. Man nennt das »Auskoppeln« der Laserstrahlung.
Was ist an Laserlicht so besonders?
Im Gegensatz zu allen anderen Lichtquellen ist Laserlicht in hohem Maße »geordnet«. Es schwingt praktisch bei einer einzigen Frequenz oder, was physikalisch dasselbe ist, es hat eine exakt definierte Farbe. Bei sog. durchstimmbaren Lasern lässt sich diese Frequenz fast beliebig einstellen.
Weiterhin ist das Licht äußerst kohärent, das heißt, es bildet sehr lange zusammenhängende Wellenzüge, die zudem extrem parallel verlaufen. Damit ist es zum einen hervorragend für das Vermessungswesen geeignet, zum anderen lässt es sich durch Linsen auf Brennflecke mit weniger als einem Mikrometer Durchmesser fokussieren. Dort herrschen dann extrem hohe Energiedichten, die zum Schweißen oder – im Extremfall – sogar zum Zünden von Kernfusionsprozessen genützt werden können.
Wozu sind Laser gut?
Laser dienen u. a. als Messgeräte und zum Schneiden. Mit der Erfindung der miniaturisierten Laserdioden aus Halbleitermaterial hielt der Laser seinen Einzug in die Alltagstechnik. Halbleiterlaser tasten den Inhalt von CDs und DVDs ab, lesen den Strichcode an der Registrierkasse, prägen der Trommel eines Laserdruckers das Druckbild auf, speisen Datenströme in Glasfaserkabel und erleichtern Landvermessern ihre Arbeit.
Weniger offensichtlich, aber durchaus spektakulär haben andere Lasertypen ihren Platz im Spektrum der High-Tech-Anwendungen erobert. So liefern Laser mit Kohlendioxid als aktivem Medium (CO2-Laser) besonders hohe Dauerleistungen bei etwa zehn Mikrometern Wellenlänge, also im fernen Infrarot. Mit mehreren Kilowatt Leistung zerschneiden sie mühelos dicke Stahlplatten oder führen punktgenaue Schweißarbeiten an Blechen durch, die viel dünner sind als herkömmliche Werkstücke.
Verändern Laser die Medizin?
Ja, besonders in chirurgischen Bereichen bieten Laser verschiedene Vorteile. Aufgrund ihres Wellenlängenbereichs, der mit anderen Lasertypen nicht zu erreichen ist, setzt man CO2-Laser ein. Durch die Strahlung erhitzt sich das wasserhaltige Gewebe eines Patienten sehr schnell und sehr stark. Dies erlaubt präzisere Schnitte als mit dem Skalpell. Durch die Hitze verschließen sich zudem die kleinen Blutgefäße fast augenblicklich, so dass es kaum Blutungen und damit nur ein geringes Infektionsrisiko gibt. Solche Operationen lassen sich minimalinvasiv durchführen, denn ein Laserstrahl kann mittels Endoskop auch im Körperinneren eingesetzt werden.
In einem anderen Zweig der Medizin, der Zahnmedizin, sollen Laser eines Tages den immer noch lästigen und oft schmerzhaften Zahnarztbohrer durch schmerzfreie Laserpulse ersetzen.
Die Vorteile des Lasers werden in der Augenoptik auch zur Gefahr, denn selbst der Blick in einen nur schwachen Laserstrahl kann die Augen erheblich schädigen. Der Grund liegt darin, dass der Laser seine gesamte Energie auf einen winzigen Fleck strahlt. An diesem Fleck ist die Energiedichte (Leistung pro Fläche) dann sehr hoch.
Kann ein Laser mehr Leistung haben als ein Atomkraftwerk?
Ja! Der Grund hierfür liegt in der physikalischen Definition der Leistung: Diese ist wissenschaftlich betrachtet das Verhältnis von verbrauchter (oder bereitgestellter) Energie zur dafür benötigten Zeit. Ein Atom- oder Kohlekraftwerk mit einer Leistung von einem Gigawatt liefert dementsprechend in einer Sekunde eine Energie von einer Milliarde Joule. Die gleiche Leistung wird aber auch verbraucht, wenn ein Laser eine Nanosekunde (eine Milliardstel Sekunde) lang ein Joule »verbrät«. Physikalisch gesehen sind die Leistungen gleich, wenn auch der apparative Aufwand eines Tischlasers bedeutend geringer ist. Der kürzeste bisher erzeugte Laserblitz dauerte sage und schreibe nur weniger als eine Femtosekunde (10–15 s), seine Leistung betrug 1015 Watt oder eine Million Gigawatt. Dies ist mehr als die Leistung aller Strom erzeugenden Kraftwerke der Welt, die zusammen »nur« eine Leistung von knapp 2000 Gigawatt erreichen.
Wussten Sie, dass …
der erste Laser im Jahr 1960 gebaut wurde? Anfangs war diese Lichtquelle so futuristisch, dass »Normalsterbliche« sie nur in Science-Fiction- oder James-Bond-Filmen zu sehen bekamen.
man mit Kurzzeitlasern die genauen Abläufe einer chemischen Reaktion quasi in Zeitlupe untersuchen kann? Die zeitliche Auflösung erreicht dabei Werte im Attosekundenbereich, 1 as ist ein Milliardstel eines Milliardstels eines Milliardstels einer Sekunde (10–18 s).
die Holographie, ein Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder, zwar schon 1948 entwickelt wurde, doch erst mit der Erfindung des Lasers realisierbar wurde?
Laserstrahlen auch in den Digitalprojektoren moderner Kinos eingesetzt werden? Sie zeichnen auch bei extremer Vergrößerung noch scharfe Linien; konventionelle Lichtstrahlen können das nicht.
Sie selbst beim Telefonieren oft einen Laser benutzen? Die Signale in Glasfaserkabeln sind nämlich Laserpulse.
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