Faszination Laser

Vor 60 Jahren erfunden, ist die Technologie heute omnipräsent: eine Forschungsreise vom Alltag bis ins All

Mit Lasertechnik kommt jeder fast täglich in Berührung: ob beim ArtikelScannen an der Supermarktkasse, beim Abspielen einer DVD oder beim Verwenden eines Laserdruckers. Weniger offensichtlich ist, dass man von der Lasertechnik profitiert, wenn man im Internet surft, weil sie die schnelle Datenübermittlung über Glasfaserkabel ermöglicht. Die vielfältigen Anwendungen des Lasers in der Medizin, in der Metallverarbeitung oder in der Messtechnik sind nur einige Beispiele für dessen Verbreitung.

Ihn erfunden hat der amerikanische Physiker Theodore Maiman (1927 – 2007) am 16. Mai 1960, eher ein Außenseiter in der Forscherszene. Mehrere Gruppen versuchten sich damals an der Umsetzung, nachdem bereits 1916 Albert Einstein in einem Fachaufsatz die Hypothese vom stimulierten Aussenden von Licht als Umkehrung der Aufnahme von Lichtteilchen formuliert hatte – und Rudolf Ladenburg 1928 diesen Effekt auch in einem Experiment mit Gasentladungen nachgewiesen hatte. Laser – das Wort ist ein Akronym und steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“: LichtVerstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung.

Warum es so lange bis zur Umsetzung dauerte? Zum einen mussten die Physiker die Atommodelle und die Quantenmechanik erst grundlegend verstehen; zum anderen gab es „politische Hindernisse“, etwa den Zweiten Weltkrieg. Nach der Erfindung aber folgten schon die ersten Anwendungsbeispiele, etwa in der Augenheilkunde. Auch in der Kultur sind Laserstrahlen schnell aufgegriffen worden, etwa in der ScienceFiction – oft als mächtige Waffe, als Todesstrahl. Dabei überwiegen in Wirklichkeit weit die nützlichen Anwendungen. Laser können sowohl die härtesten Materialien, etwa hochfesten Stahl, als auch die weichsten sehr präzise bearbeiten.

Als Wolfgang Radloff 1963 direkt nach seinem Physikstudium an der Technischen Universität Dresden an ein DDR-Forschungsinstitut kam, gab es dort bereits einen selbst gebauten Laser. „Ich wusste anfangs nicht, wofür man das Gerät gebrauchen konnte“, erzählt Radloff. Nach einer Umfrage bei Industrieunternehmen habe sich nur jemand vom Bauwesen gemeldet. Der „Baulaser“wurde als Fluchtungshilfe, also zum Erzeugen einer geraden Linie, verwendet und kam beispielsweise beim Bau von Fernsehtürmen zum Einsatz. Was im Offensichtlichsten begann, führt heute ins Verborgenste, wo durch extrem kurze Laserpulse (innerhalb von Femtosekunden, also Billiardstel Sekunden) Prozesse zwischen Molekülen oder Atomen aufgeklärt werden können. Auch die Messung von Gravitationswellen im Jahr 2015 unter Verwendung von Lasertechnik aus Hannover habe ihn begeistert.

Trotz der technologischen Entwicklung gebe es auch heute noch Helium-/Neon-, Argon- oder Kohlendioxidlaser, die schon bald nach Maimans Rubinlaser entwickelt wurden, berichtet Radloff. Die genannten Substanzen sind dabei die aktiven Medien, auch Lasermedien genannt. In ihnen werden so viele Atome auf höhere Energieniveaus gebracht, dass diese stark angeregten Atome in der Mehrzahl sind. Fachleute sprechen von Besetzungsinversion. Dazu ist eine hohe Energiezufuhr nötig, etwa durch eine starke Lampe oder elektrischen Strom. Wenn die Elektronen in den Atomhüllen auf ein niedrigeres Energieniveau fallen, senden sie Lichtteilchen (Photonen) aus. Werden diese Photonen durch Spiegel wieder und wieder ins aktive Medium gelenkt, lösen sie dort das stimulierte Aussenden von Licht aus, das durch einen halbdurchlässigen Spiegel aus dem Lasergerät entweicht. Die massenhaft angeregten Teilchen besitzen alle dieselben Eigenschaften, etwa dieselbe Wellenlänge und ein stabiles Verhältnis der Wellenphasen zueinander (Kohärenz). Deshalb kann der Laserstrahl stark gebündelt werden und bei Bedarf mit großen Energiedichten Materialien bearbeiten, beispielsweise Metalle schneiden.

In modernen großen Lasern werden oft Diodenlaser verwendet, mit Dioden als aktive Medien also. Als Halbleiterbauteile, wie sie in der Computertechnologie verwendet werden, waren Laserdioden prädestiniert dafür, von der stetigen Miniaturisierung der Computerplatinen zu profitieren. Grundsätzlich lassen Dioden elektrischen Strom nur in eine Richtung durch. Bei elektrischen Impulsen hoher Feldstärke werden im Halbleiter Atome derart angeregt, dass sie Laserlicht aussenden. Eine Lichtdiode (LED) funktioniert ganz ähnlich wie eine Laserdiode. Laserdioden kommen auch bei medizinischen Therapien zum Einsatz. Doch die Anforderungen an sie seien höher als in der Industrie, betont Ronald Sroka vom

Laser-Forschungslabor im Klinikum der Universität München: „Die Wellenlänge muss genau auf das zu behandelnde Gewebe abgestimmt sein.“Benötigt werden meist Laser mit hoher Leistung, die kontinuierlich oder gepulst Licht abstrahlen und entsprechend unterschiedliche Wirkungen erzeugen. Bei thermischen Laseranwendungen wird die erzeugte Wärme zum Schneiden von Gewebe oder zum Abtragen durch Verdampfen von Gewebe eingesetzt.

Sroka und seine Mitarbeiter forschen in ihrem Labor unter anderem an der Behandlung von Tumoren mit Licht, der fotodynamischen Therapie: Der Patient nimmt einen lichtempfindlichen Wirkstoff zu sich, der sich nur in Tumoren anreichert, bei der anschließenden Bestrahlung mit Licht entsteht eine angeregte und sehr reaktionsfreudige Form des Sauerstoffs, der die Krebszellen zerstört. Per Laser, weil Licht nicht tief ins Gewebe eindringt, können zunächst nur oberflächlich wachsende Tumoren anvisiert werden. Mit Laserlicht, das in Lichtleitfasern eingekoppelt wird, können auch tiefer liegende Tumoren bestrahlt werden.

Und wo geht der Trend hin? Sven Ederer ist Physiker bei der Berthold Leibinger Stiftung und zuständig für die Organisation des Innovationspreises und des Zukunftspreises. Sie werden verliehen für Entwicklungsund Forschungsarbeiten im Bereich des Laserlichts. Ederer kennt die neuesten Entwicklungen auf vielen Gebieten der Lasertechnologien. Er macht zwei große Trends aus: Zum einen Ultrakurzpulslaser und die Quantenoptik.

Die sehr kurzen Laserpulse ermöglichen eine kalte Bearbeitung von Materialien, also ohne sie nennenswert zu erwärmen. Im europäischen Forschungsprojekt „Extreme

Light Infrastructure“(ELI) werden mit solchen Lasern physikalische Prozesse mit hoher Zeitauflösung untersucht.

Als Beispiel für die Quantenoptik nennt Ederer das Projekt „Opticlock“, eine optische Uhr für den Einsatz außerhalb spezialisierter Labors, die 1000-fach genauer geht als heutige Atomuhren. Auch seien die elektronischen Vorgänge in heutigen Computern langsam im Verhältnis zur optischen Datenübertragung, deshalb sollten künftig die Daten auch optisch verarbeitet werden, eben mit Laserlicht. Ederer ist von einer weiterhin rasanten Entwicklung der Lasertechnologien überzeugt: „Laserlicht ist vielfältig wie ein Schweizer Taschenmesser.“

Für mehr Daten, um Klimaphänomene besser zu verstehen, sorgt ein Projekt des Fraunhofer ILT: In Zusammenarbeit mit dem LeibnizInstitut für Atmosphärenphysik (IAP) in Kühlungsborn haben die ILT-Forscher ein LIDAR-System (Light Detection and Ranging) mit einem diodengepumpten Alexandritlaser entwickelt. Damit ist es möglich, Temperaturen und Wind in der hohen Atmosphäre (30 bis 120 Kilometer Höhe) vom Boden aus zu messen. Ein LIDAR-Netzwerk kann künftig kontinuierlich Daten aus der Atmosphäre liefern.

Mit Licht gegen den Krebs, Strahlen für das Klima

Nature

Die bislang ältesten direkten Belege für die Anwesenheit des Menschen in Europa stammten aus den rumänischen Karsthöhlen Pes¸tera cu Oase und sind etwa 41000 Jahre alt. Da die Neandertaler in Europa nach derzeitigem Kenntnisstand vor knapp 40000 Jahren verschwanden, leiteten Forscher daraus ab, dass sie relativ kurz nach der Ankunft des Homo sapiens ausstarben. Die neuen Funde legen nun nahe, dass beide Arten viel länger auf dem Kontinent koexistierten. Sie stammen aus der Karsthöhle Bacho Kiro nahe der Stadt Drjanowo in Zentralbulgarien. Dort entdeckte das Team um Hublin weit über 10000 Zahn- und Knochenfragmente – darunter ein menschlicher Backenzahn – sowie diverse Stein- und Knochenwerkzeuge und auch Schmuck. Analysen per Protein-Massenspektrometrie zeigten, dass der Zahn und sechs Knochenfragmente eindeutig vom Homo sapiens stammen.

Die Datierungen der Fossilien und der Fundschicht ergaben, dass die Überbleibsel mindestens 45000, möglicherweise sogar bis zu 47000 Jahre alt sind. Aufschlussreich ist auch die Analyse der Werkzeuge: So stammt etwa Feuerstein aus einer bis zu 180 Kilometer entfernten Region. Das Gestein wurde zu spitzen Klingen verarbeitet, die wohl zur Jagd und zum Zerlegen erlegter Tiere verwendet wurden.

Neben menschlichen Relikten bargen die Forscher auch mehr als 12000 Fragmente von tierischen Knochen – darunter Wisente, Rotwild und Höhlenbären. Manche Zähne von Bären und Paarhufern waren perforiert und zu Anhängern verarbeitet worden. Einige ähneln stark späteren Neandertaler-Ornamenten, etwa aus der Grotte du Renne in Mittelfrankreich. Die Forscher vermuten daher, dass der ankommende Homo sapiens die Kultur von Neandertalern in Europa beeinflusste. Neandertaler-Erbgut ist bis heute bei Menschen europäischen und asiatischen Ursprungs nachweisbar. Walter Willems

Nature Ecology & Evolution.